Shear strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded FRP composites: finite element modeling and parametric study

Abbasi, Amirali (2024). Shear strengthening of reinforced concrete beams with externally bonded FRP composites: finite element modeling and parametric study. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Shear failure in reinforced concrete (RC) beams has always been a major concern for engineers to deal with, particularly in deep beams such as RC girders. Nevertheless, with the use of fiberreinforced polymer (FRP) composites, this type of failure can be avoided. Using externally bonded (EB) FRP composites for shear strengthening of RC beams requires sufficient knowledge and experience given the premature bond failure, the complex behavior of interface layer between FRP composites and the concrete substrate, as well as fracture mechanics of non-homogeneous concrete. Many experimental conducts have been carried out to evaluate the shear contributions EB-FRP in shear strengthening even though laboratory tests are timeconsuming and expensive. However, by developing numerical models and obtaining highprecision results validated by experimental testing, finite element analysis softwares have become a valid alternative to experimental testing. On the other hand, the analytical models proposed in existing design guidelines are not consistent with the results obtained from experimental tests, as many parameters are not taken into account in these models. For example, the inverse interaction between EB-FRP and steel stirrups, the size effect, shear bond stresses at the interface between concrete and EB-FRP and between steel stirrups and concrete, shear crack angles varying with internal and external shear reinforcements, and the distribution of shear cracks leading to premature debonding.

The aim of this research is to have an in-depth insight into the maximum load transferred through interface layer and consequently, the ultimate load carried by RC beams strengthened in shear with EB-FRP composites through analytical and finite element (FE) approaches. The results obtained from the aforementioned methods will be validated with previous experimental data. Finally, new mathematical relationships will be proposed considering all the parameters contributing to the shear strengthening of RC beams with EB-FRP and the behavior of the interface layer. For this reason, in the first phase of this research, the literaturereview is carried out on the previous numerical research to evaluate their deficiencies and merits in simulating the aforementioned beams. This will give us a better understanding of the assumptions implemented in these research studies, as well as the type of analysis (static or dynamic).

A numerical simulation is carried out in the second phase of this study to incorporate the parameters with essential influences on shear contributions of EB-FRP to the ultimate shear strength of RC beams strengthened using EB-FRP. These parameters include the size effect and the inverse interaction between EB-FRP and steel stirrups. All the results obtained from the numerical tests are validated through the experimental conducts. Parametric studies are then carried out to obtain the appropriate effective strains closer to those obtained from laboratory tests than from analytical results.

To obtain the appropriate effective strains, parametric results are evaluated by regression of previous experimental tests. Analytical models for the effective strains are then proposed to bridge the gap between the existing models in the design guidelines, taking into account the distribution of shear cracks and the distribution of stresses on the fibers intercepted by the main shear crack.

Titre traduit

Renforcement à l'effort tranchant des poutres en béton armé avec des composites en PRF collés en surface: modélisation par éléments finis et étude paramétrique

Résumé traduit

La défaillance en cisaillement dans les poutres en béton armé (BA) a toujours été une préoccupation majeure pour les ingénieurs, en particulier dans les poutres profondes telles que les poutres en BA. Néanmoins, l'utilisation de composites en polymère renforcé de fibres (PRF) permet d'éviter ce type de défaillance. L'utilisation de composites PRF collés en surface (EB) pour le renforcement par cisaillement des poutres en BA exige une connaissance et une expérience suffisantes, compte tenu de la défaillance prématurée de la liaison, du comportement complexe de la couche d'interface entre les composites PRF et le substrat en béton, ainsi que de la mécanique de la rupture du béton non homogène. De nombreuses expériences ont été menées pour évaluer les contributions au cisaillement des EB-PRF pour le renforcement en cisaillement, même si les essais en laboratoire sont longs et coûteux. Cependant, en développant des modèles numériques et en obtenant des résultats de haute précision validés par les essais expérimentaux, les logiciels d'analyse par éléments finis sont devenus une alternative valable aux essais expérimentaux.

D'autre part, les modèles analytiques proposés dans les guides de conception existants ne sont pas compatibles avec les résultats obtenus à partir des essais expérimentaux, car de nombreux paramètres ne sont pas pris en compte dans ces modèles. Par exemple, l'interaction inverse entre les EB-PRF et les étriers en acier, l'effet d'échelle, les contraintes d'adhérence en cisaillement à l'interface entre le béton et les EB-PRF et entre les étriers en acier et le béton, les angles des fissures de cisaillement variant en fonction des renforts de cisaillement internes et externes, ainsi que la distribution des fissures de cisaillement conduisant à un décollement prématuré.

L'objectif de cette recherche est d'obtenir une compréhension approfondie de la charge maximale transférée par la couche d'interface et, par conséquent, de la charge ultime supportée par les poutres en BA renforcées en cisaillement avec des composites EB-PRF grâce à des approches analytiques et par éléments finis (FE). Les résultats obtenus à partir des méthodes susmentionnées seront validés avec des données expérimentales antérieures. Enfin, de nouvelles relations mathématiques seront proposées en tenant compte de tous les paramètres contribuant au renforcement par cisaillement des poutres en BA avec EB-PRF et au comportement de la couche d'interface. Pour cette raison, dans la première phase de cette recherche, une revue de la littérature est effectuée sur les recherches numériques précédentes pour évaluer leurs lacunes et leurs mérites dans la simulation des poutres susmentionnées. Cela nous permettra de mieux comprendre les hypothèses mises en œuvre dans ces études de recherche ainsi que le type d'analyse (statique ou dynamique).

Une simulation numérique est menée dans la deuxième phase de cette étude pour incorporer les paramètres ayant des influences essentielles sur les contributions au cisaillement des EBPRF à la résistance ultime au cisaillement des poutres en BA renforcées à l'aide des EB-PRF. Ces paramètres comprennent l'effet d'échelle et l'interaction inverse entre les EB-PRF et les étriers en acier. Tous les résultats obtenus à partir des simulations numériques sont validés par les essais expérimentaux menées par l'équipe. Des études paramétriques sont ensuite réalisées pour obtenir les déformations effectives appropriées, plus proches de celles obtenues à partir des essais en laboratoire que des résultats analytiques.

Pour obtenir les déformations effectives appropriées, les résultats paramétriques sont évalués par régression des essais expérimentaux précédents. Des modèles analytiques pour les déformations effectives sont ensuite proposés pour combler l'écart entre les modèles existants dans les guides de conception, en tenant compte de la distribution des fissures de cisaillement et la distribution des contraintes sur les fibres interceptées par la fissure de cisaillement principale.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 191-199).
Mots-clés libres:	structures en béton armé, feuille en PRFC, analyse par éléments finis, analyse analytique, renforcement par cisaillement, charges statiques, contrainte effective, couche cohésive, liaison PRF-béton, liaison étriers en acier-béton, distribution des contraintes, distribution des fissures de cisaillement, contrainte sur la fibre, contrainte sur les étriers en acier
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaallal, Omar
Codirecteur:	Codirecteur El-Saikaly, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	14 mars 2024 16:25
Dernière modification:	14 mars 2024 16:25
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3437

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