Strengthening of steel bridge components with externally bonded ultra-high modulus CFRP

Delzendeh Moghadam, Mohamadreza (2024). Strengthening of steel bridge components with externally bonded ultra-high modulus CFRP. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The application of the externally bonded (EB) carbon fiber reinforced polymer (CFRP) technique for retrofitting civil infrastructure has been increasingly gaining acceptance and market share. However, investigations on the performance of steel components strengthened or rehabilitated with EB CFRP are rather limited and most of the studies have been dedicated to concrete structures retrofitted with EB CFRP. In recent years, new research opportunities have opened with the emergence of ultra-high modulus (UHM) CFRP to evaluate the performance of UHM CFRP retrofitting technique in steel structural elements. The performance of the retrofitted steel elements is highly influenced by the bond between CFRP and steel interface. Indeed, debonding failure can lead to premature failure of the CFRP retrofitting technique. In this regard, the study of the bond behavior of the CFRP/steel joints is of paramount importance.

This study aims to fully understand the behavior of steel components rehabilitated with CFRP and thereby highlighting the influential parameters. To that end, a comprehensive literature review is initially carried out to identify the key parameters that influence the bond behavior of the CFRP/steel interface, and thereby the flexural behavior of the retrofitted elements. In the second phase, a thorough experimental investigation is conducted to fill the existing gaps in the literature. Firstly, a series of double strap CFRP/steel joints are tested under static loading to evaluate various parameters, including the adhesive type, CFRP length, and surface preparation. Additionally, the effect of CFRP elastic modulus on the rehabilitation technique is examined by comparing Normal Modulus (NM) and Ultra-High Modulus (UHM) CFRP with approximately the same tensile capacity. Secondly, the flexural behavior of the CFRP rehabilitated notched steel beams are examined under static loading. The parameters considered in this phase include CFRP type, CFRP configuration, notch depth, anchorage system, and adhesive type.

The results reveal that the effect of adhesive type plays a crucial role on the bond behavior of CFRP/steel joints. However, when it comes to the anchored rehabilitated beams, the adhesive impact is negligible on the flexural performance of the beams due to the anchorage mechanisms. The effect of surface preparation type has also been found trivial on the bond behavior of the CFRP/steel joints. Moreover, it is found that UHM CFRP has a shorter effective bond length compared to its NM CFRP counterpart and it generally outperforms NM CFRP in terms of load-carrying capacity.

Titre traduit

Renforcement des éléments de ponts en acier avec du PRFC à ultra-haut module collé en surface

Résumé traduit

L'application de la technique de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC) collé en surface (CS) pour le renforcement des infrastructures civiles a gagné de plus en plus de popularité et de parts de marché. Cependant, les investigations sur la performance des composants en acier renforcés ou réhabilités avec du PRFC CS sont plutôt limitées, et la majorité des études ont été consacrées aux structures en béton renforcées avec du PRFC. Ces dernières années, de nouvelles opportunités de recherche se sont ouvertes avec l'émergence du PRFC à ultra-haut module (UHM) pour évaluer la performance de la technique de réhabilitation des éléments structuraux en acier avec du PRFC UHM. La performance des éléments en acier réhabilités est fortement influencée par le lien entre le PRFC et l'interface acier. En effet, le décollement peut entraîner une défaillance prématurée de la technique de réhabilitation avec du PRFC. À cet égard, l'étude du comportement de l'adhérence des joints PRFC/acier est d'une importance capitale.

Cette étude vise à comprendre au profondeur le comportement des composants en acier réhabilités avec du PRFC en mettant en évidence les paramètres influents. À cet égard, dans la première phase, une revue de la littérature exhaustive est menée pour identifier les paramètres influents affectant le comportement de l'adhérence de l'interface PRFC/acier, et par conséquent, le comportement en flexion des éléments réhabilités. Dans la seconde phase, une investigation expérimentale approfondie est menée pour combler les lacunes existantes dans la littérature. Tout d'abord, une série de joints doubles PRFC/acier sont testés sous charge statique pour évaluer divers paramètres, y compris le type d'adhésif, la longueur du PRFC et la préparation de la surface. De plus, l'effet du module d'élasticité du PRFC sur la technique de réhabilitation est examiné en comparant le PRFC à module normal (MN) et à ultra-haut module (UHM) tout en gardant une capacité de traction approximativement égale. Ensuite, le comportement en flexion des poutres en acier entaillées réhabilitées avec du PRFC est examiné sous charge statique. Les paramètres considérés dans cette phase incluent le type de PRFC, la configuration du PRFC, la profondeur de l'entaille, le système d'ancrage et le type d'adhésif.

Les résultats révèlent que le type d'adhésif joue un rôle crucial dans le comportement de l'adhérence des joints PRFC/acier. Cependant, en ce qui concerne les poutres réhabilitées avec ancrage, l'impact de l'adhésif est négligeable sur la performance en flexion des poutres en raison des mécanismes d'ancrage. L'effet du type de préparation de surface s'est également révélé trivial sur le comportement de l'adhérence des joints PRFC/acier. De plus, il est constaté que le PRFC UHM tout en exposant une longueur d'adhérence efficace plus courte comparée à celle associée au PRFC MN a une capacité de charge plus élevée.

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 105-119).
Mots-clés libres:	étude expérimentale, comportement de l'adhérence, comportement en flexion, technique de réhabilitation avec PRFC, PRFC collé en surface, vieux éléments de pont en acier, poutres entaillées, structures en acier
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chaallal, Omar
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 avr. 2025 14:48
Dernière modification:	30 avr. 2025 14:48
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3594

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