NEW ANCHORAGE TECHNIQUE FOR FRP SHEARSTRENGTHENED RC T-BEAMS USING CFRP ROPE

NEW ANCHORAGE TECHNIQUE FOR FRP SHEARSTRENGTHENED RC T-BEAMS USING CFRP ROPE

INTRODUCTION

En Amérique du Nord, la plupart des ouvrages d’art, notamment les ponts en béton armé (BA) présentement en service, ont été construits de 1960 à 1980. Plus du tiers de ces ponts sont, de nos jours, considérés comme structuralement déficients ou fonctionnellement obsolètes compte tenu des conditions des constituants de la structure et de la capacité des ponts à répondre aux exigences des normes actuelles de conception. Ces critères sont établis en référence à une méthode générale d’évaluation sous forme d’indices d’état et de fonctionnalité.
Outre les paramètres couramment cités pour l’ensemble des structures tels que le vieillissement, les erreurs de conception, l’exposition aux surcharges imprévues (augmentation des surcharges règlementaires), le changement d’usage de la structure, les effets environnementaux, le fluage, la corrosion des armatures d’acier, la dégradation accumulée par fatigue est considérée comme un facteur majeur de détérioration rapide des ouvrages d’art. En effet, bien que les ponts soient généralement soumis à des charges cycliques bien en deçà de leurs capacités ultimes statiques, le caractère répétitif de chargement cyclique peut augmenter le taux d’endommagement des structures en BA. On observe alors une accélération dans la progression des fissures et une perte de rigidité accrue dues à la dégradation accumulée de la résistance par fatigue qui peut compromettre la stabilité, l’intégrité structurale et la sécurité de la structure. Ajoutons à cela les problèmes de rupture prématurée associés à la complexité et l’incompréhension du comportement en cisaillement des structures en BA, surtout sous chargement cyclique à long terme ou fatigue.
Ceci nécessite le recours à des techniques de réhabilitation rapides, efficaces et durables pour prolonger la durée de service des structures déficientes.

Approche Méthodologique

Pour atteindre les objectifs visés, le programme de recherche est subdivisé en deux volets :
un théorique et l’autre expérimental (Figure 1.6), comme suit :
1. Le volet théorique consiste en une revue de la littérature qui traite de l’utilisation des PRF pour le renforcement externe des structures en béton ainsi que les recommandations des normes et guides de conception en vigueur consacrées à ce sujet. On s’intéressera principalement aux recommandations des comités 215 et 440 de la norme américaine ACI (ACI 215R 1974; ACI 440.2R 2008), des comités S6 et S806 des normes canadiennes CSA sur le calcul des ponts routiers (CSA S6 2006) et sur la conception des bâtiments (CSA S806 2012), et du comité TG9.3 de la Fédération internationale du béton (FIB) en Europe (FIB TG9.3 2001). De plus, une revue documentaire et bibliographique exhaustive est menée incluant toutes les recherches expérimentales antérieures dédiées à la performance en fatigue des poutres en béton renforcées à l’aide de PRF.

UTILISATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES AVANCÉS POUR LE RENFORCEMENT DES STRUCTURES EN BÉTON – GÉNÉRALITÉS

 Matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF)

Les structures existantes en béton armé ont une durée de service limitée et se voient affectés par des problèmes de fonctionnalité, de résistance et de durabilité sous différents types de chargement (flexion, cisaillement, torsion, fatigue, etc.). Pour cela, les ingénieurs doivent être capable de maintenir ces structures à un niveau de performance acceptable, de les réparer après un certain niveau de dégradation, ou de les renforcer pour amener leur capacité à un niveau plus élevé afin de résister à une éventuelle augmentation du chargement. Ces procédés de construction sont définis par le terme “réhabilitation”.

 Les fibres (renforts)

Les renforts en fibres, en phase discontinue souvent filamentaire, absorbent la majorité des contraintes mécaniques et assurent la résistance et la rigidité des composites PRF (Bathias 2009). La fibre est donc l’élément porteur de charge principal qui influe fortement sur les caractéristiques mécaniques d’un PRF. Plusieurs types de fibres sont fréquemment utilisés dans les composites : à base de carbone (PRFC), de verre (PRFV), d’aramide (PRFA), et plus récemment fibres d’acier et fibres hybrides.

 Les résines polymères (matrice)

La matrice, polymère en phase continue qui sert de liant, joue un rôle physico-chimique et
thermique essentiel, comme la protection des fibres, la répartition et le transfert des contraintes par l’intermédiaire de l’interface fibres/résine polymère. Plus particulièrement, la matrice a un rôle mécanique très important dans le transfert des efforts internes en tension ou en compression. En plus, les résines polymères sont des bons isolants thermiques et électriques; elles sont divisées en deux groupes : les thermoplastiques et les thermodurcissables.

Les thermoplastiques

Les résines thermoplastiques peuvent passer de façon réversible de l’état solide à l’état liquide. Sous l’effet de haute température, les résines thermoplastiques mûries à l’état solide se fondent et se transforment à l’état pâteux d’origine. Les résines thermoplastiques utilisées pour la fabrication des matériaux composites sont : les polymères grande diffusion (polypropylène-PP), les polymères techniques (polyamide PA), et les polymères hautes performances (polyétheréthercétone-PEEK) (Bathias 2009).

Les thermodurcissables

Contrairement aux résines précédentes, une fois mûries, les résines thermodurcissables deviennent solides et ne peuvent plus retrouver leur état liquide d’origine. Elles vont, par ailleurs, s’adoucir et perdre leur résistance sous l’effet de la chaleur. Les résines thermodurcissables les plus couramment utilisées dans l’industrie sont : les polyesters insaturés, les époxydes, les vinylesters et les phénoliques.

Attaque chimique et réaction alcalis-granulats

L’effet des attaques chimiques et des réactions alcalis-granulats sur le comportement des structures renforcées à l’aide de PRF dépend du type de résine et des fibres. Les fibres de carbone sont résistantes à cet effet, tandis que les fibres de verre sont plus sensibles aux effets d’alcalinité et d’acidité. De ce fait, les composites PRF sont souvent fabriqués en utilisant des matrices de polymères résistantes aux alcalis, surtout pour les PRF en fibres de verre. Une matrice de polymère résistante aux alcalis proprement appliquée peut protéger et empêcher la rupture des fibres provenant des attaques chimiques. Ainsi, les structures situées dans des endroits de haute alcalinité et/ou acidité sont souvent renforcées à l’aide de PRF en fibres de carbone (ACI 440.2R 2008; FIB TG9.3 2001).

Fatigue des matériaux : béton, armatures d’acier, béton armé et PRF
Fatigue du béton

Le mécanisme de rupture par fatigue du béton sous chargement cyclique est caractérisé par des déformations et des microfissures beaucoup plus grandes que celles obtenues sous chargement statique. Malgré que le béton ne semble pas avoir une limite d’endurance, la résistance à la fatigue du béton, pour une durée de service de 10 millions de cycles de contraintes, est d’environ 55% de la résistance ultime statique (ACI 215R 1974). La progression des fissures dans le béton provoque la rupture de l’élément. En effet, la fatigue du béton fait l’objet d’un processus progressif : dans un premier temps des microfissures apparaissent et se propagent. Puis, ce premier phénomène provoque des macro-fissures. La diffusion de ces dernières achève le processus en provoquant la rupture brusque du béton (Wu 2004).

 Description of specimens

The T-beams used in this research were 4,520 mm-long. Details of their cross sections are presented in Figure 4.1b. The longitudinal-steel reinforcement consisted of four M25 bars (diameter = 25.2 mm) laid in two layers. The transverse-steel reinforcements were 8 mm in diameter (area = 50 mm2) and were spaced at s = d/2 for the S1 series and s = 3d/4 for the S3 series. The composite material was a unidirectional carbon-fiber fabric applied continuously over the test zone in a U shape around the web using a wet lay-up procedure.
The thickness of the one-ply CFRP used was 0.1 mm before saturation.

 Properties of materials

A commercially available concrete, delivered to the laboratory by a local supplier, was used.
The concrete mix design is presented in Table 4.2. Standard compression tests on control cylinders yielded a concrete compressive strength of 35 MPa on average. The steel reinforcing bars used were also tested in tension according to the ASTM A370-97a (ASTM 1997) standard, and a summary of the results of these tests is presented in Table 4.3. A commercially available CFRP system, including a unidirectional carbon fiber fabric, an impregnating epoxy resin, and a primer, was used in this study. Table 4.4 provides a summary of the properties of cured laminate sheets as provided by the manufacturer. The CFRP fabric was applied according to the manufacturer’s specifications.

 Properties of materials and strengthening method

A commercially available concrete, delivered to the laboratory by a local supplier, was used.
The concrete mix design is presented in Table 5.2. Standard compression tests on control cylinders yielded a concrete compressive strength of 35 MPa on average. The steel reinforcing bars used were also tested in tension according to the ASTM A370-97a standard, and a summary of the test results is presented in Table 5.3. A commercially available CFRP system, including L-shaped laminates, a structural epoxy paste adhesive, and a primer, was used in this study. Table 5.4 provides a summary of the mechanical properties of the composite products used, as provided by the manufacturer.

 Conclusions

This paper presents the results of an experimental investigation that compared the fatigue and post-fatigue (static) behavior of two EB CFRP techniques (sheets vs. laminates) for shear retrofit of RC T-beams. On the basis of the findings, the following conclusions can be drawn:
1. The overall response was typical of RC beams under fatigue. All specimens exhibited a typical trend of cumulative fatigue degradation, which was characterized by an accelerated rate of damage propagation during early cycles, followed by a stable phase in which the damage accumulation slowed significantly; 198.
2. Shear strengthening with L-shaped laminates of RC T-beams under cyclic loading has been shown to be potentially more effective than use of U-wrapped sheets in extending the fatigue life of RC structures. This was demonstrated in terms of number of cycles, deflection response, level of strain in steel stirrups, gain in shear resistance, and fatigue damage accumulation;
3. Despite the flexure fatigue failure experienced by EBS specimens, they still behaved well because longitudinal steel rupture occurred only after 5 million cycles in a very high stress range. However, for RC beams shear-strengthened using U-wrapped sheets, the longitudinal steel may be the weakest link and should be looked at with caution, particularly for extending service life, where it may govern the upper limit of the projected capacity. This may indicate that code specifications for fatigue limit-state design of unstrengthened structures may also be used for RC beams shear-strengthened using EB CFRP sheets;
4. The ratio of maximum longitudinal steel stress over its yield strength reached 82% before yielding of longitudinal reinforcing bars in EBS-S1, whereas it reached 84% at 6 million cycles in EBL-S1 without any failure. The ACI 440.2R-08 guidelines state in this context that the stress in longitudinal steel reinforcement under fatigue service load should be limited to 80% of the yield stress;

Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Contexte général
1.2 Contextes de déficience des ponts existants
1.3 Problématiques quant à la réhabilitation des poutres en béton à l’aide de PRF sous
charges cycliques
1.4 Objectifs de la thèse
1.5 Approche Méthodologique
1.6 Retombées prévues (contributions originales)
1.7 Organisation de la thèse
CHAPITRE 2 UTILISATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES AVANCÉS
POUR LE RENFORCEMENT DES STRUCTURES EN BÉTON –
GÉNÉRALITÉS
2.1 Matériaux composites avancés (MCA) en polymères renforcés de fibres (PRF)
2.1.1 Les constituants d’un composite PRF
2.1.2 Les fibres (renforts)
2.1.3 Les résines polymères (matrice)
2.1.4 Propriétés mécaniques des composites PRF
2.1.5 Comparaison des composites PRF
2.2 Généralités sur le renforcement des structures en béton à l’aide de PRF
2.2.1 Historique de l’évolution des normes en vigueur quant à
l’utilisation de PRF
2.2.2 Systèmes de renforcement à l’aide de PRF
2.2.3 Durabilité à long terme et en fatigue des composites PRF
2.2.4 Modes de rupture des poutres en béton renforcées en cisaillement
à l’aide de PRF
CHAPITRE 3 COMPORTEMENT EN FATIGUE DES POUTRES EN BÉTON
RENFORCÉES À L’AIDE DE PRF COLLÉS EN SURFACE – REVUE DE LA LITTÉRATURE
3.1 Notions générales et définitions
3.2 Limites de contraintes recommandées par les normes en vigueur pour la
conception à l’état limite de fatigue (ÉLF)
3.3 Durée de service en fatigue (relation S-N de Wöhler)
3.4 Fatigue des matériaux : béton, armatures d’acier, béton armé et PRF
3.5 Analyse des recherches expérimentales antérieures – Revue documentaire
et bibliographique
3.5.1 Paramètres d’étude en fatigue
3.5.2 Dégradation accumulée par fatigue
3.5.3 Modes de rupture
3.5.4 Poutres en BA renforcées en cisaillement à l’aide de
PRF collés en surface
3.6 Synthèses des résultats des recherches expérimentales antérieures
3.7 Les besoins en recherche
CHAPITRE 4 EXTENDING THE FATIGUE LIFE OF REINFORCED CONCRETE
T-BEAMS STRENGTHENED IN SHEAR WITH EXTERNALLY
BONDED FRP: UPGRADING VERSUS REPAIRING
4.1 Abstract
4.2 Introduction
4.3 Experimental program
4.3.1 Description of specimens
4.3.2 Properties of materials
4.3.3 Variables examined
4.3.4 Test setup and procedure
4.3.5 Instrumentation
4.4 Analysis of test results
4.4.1 Overall response
4.4.2 Modes of failure
4.4.3 Fatigue test results
4.4.4 Cumulative fatigue degradation
4.4.5 Test results for monotonic loading
4.5 Conclusions
4.6 Acknowledgments
CHAPITRE 5 FATIGUE BEHAVIOR OF RC T-BEAMS STRENGTHENED IN
SHEAR WITH EB CFRP L-SHAPED LAMINATES
5.1 Abstract
5.2 Introduction
5.3 Experimental program
5.3.1 Description of specimens
5.3.2 Properties of materials and strengthening method
5.3.3 Test setup and procedure
5.3.4 Instrumentation
5.4 Analysis of test results
5.4.1 Overall response
5.4.2 Modes of failure
5.4.3 Fatigue test results
Deflection response
Strain response
5.4.4 Cumulative fatigue degradation
5.4.5 Static test results (beams that underwent fatigue)
5.5 Conclusions
5.6 Acknowledgments
CHAPITRE 6 CYCLIC PERFORMANCE OF RC T-BEAMS STRENGTHENED
IN SHEAR WITH FRP COMPOSITES: SHEETS VERSUS
LAMINATES
6.1 Abstract
6.2 Introduction
6.3 Experimental program
6.3.1 Description of test specimens
6.3.2 Properties of materials and strengthening methods
6.3.3 Test setup and procedure
6.3.4 Instrumentation
6.4 Experimental test results: analysis and discussion
6.4.1 Failure modes
6.4.2 Fatigue behavior under cyclic loading
6.4.3 Post-fatigue behavior under monotonic loading
6.5 Conclusions
6.6 Acknowledgments.
CHAPITRE 7 NEW ANCHORAGE TECHNIQUE FOR FRP SHEARSTRENGTHENED
RC T-BEAMS USING CFRP ROPE
7.1 Abstract
7.2 Introduction
7.3 Experimental program
7.3.1 Test specimens
7.3.2 Materials
7.3.3 Strengthening procedure
7.3.4 Test setup
7.4 Results and discussion
7.4.1 Ultimate load-carrying capacities and failure modes
7.4.2 Load-deflection behavior
7.4.3 Strain response
7.5 Conclusions
7.6 Acknowledgments
CONCLUSION

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