Use of NSM FRP for torsional strengthening on thin walled tubular RC structures

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gowda, Chandan Chinnagiri
Data de Publicação: 2019
Idioma: por
Título da fonte: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/65878
Resumo: Tese de doutoramento em Engenharia Civil
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spelling Use of NSM FRP for torsional strengthening on thin walled tubular RC structuresTorsional strengtheningThin-walled tubular structuresL-CFRP laminatesReforço à torçãoEstruturas tubulares de paredes finasLaminados de CFRPTese de doutoramento em Engenharia CivilThe use of near surface mounted (NSM) FRP reinforcement has been proven to be a very promising technique for the strengthening of reinforced concrete (RC) structures in both flexure and shear. The application of NSM FRP to improve the torsional performance of RC structures is limited, however, and despite the many potential advantages this technique has never been applied to thin walled tubular RC members. This research study focuses on the development of strengthening strategies for torsional deficient elements using NSM straight and L-shaped CFRP laminates. The proposed strengthening solutions offer substantial advantages over other available conventional and innovative (externally bonded techniques) strengthening methods. The research includes an extensive experimental programme followed by the development of a design model, complemented by a numerical study. A nonlinear analysis based on the finite element method is performed to assist in the preparation of the experimental work and the development of the test setup. A parametric study is carried out to assess the influence of longitudinal and transverse steel reinforcement ratios, concrete strength, strengthening configurations and longitudinal and transverse NSM FRP reinforcement ratios. The main objective of the experimental work is to derive reliable data to assess the performance of the NSM technique for the strengthening of thin walled RC elements, and for the development of design formulations. For this purpose, three series of tests with RC tubular prototypes are experimentally tested by determining the torsional moment versus torsional angle of rotation, strains in the reinforcements and in the CFRP laminates, and the crack patterns and failure modes. Digital image correlation is also used in an attempt of enriching the knowledge provided by conventional sensors. The strengthening configurations are categorized into three series (i) four face strengthening with straight CFRP laminates (ii) three face strengthening with straight CFRP laminates and (ii) four face strengthening with LCFRP laminates. All the strengthening proposals show improved performance in torsional moment carrying capacity (18% - 46%), torsional angle of rotation (20% - 76%) and decrease in crack spacing (16% - 56%). Based on the obtained results, analytical equations are developed using space truss analogy for thin walled tubular reinforced concrete members strengthened with NSM CFRP laminates. The equations are presented for ultimate torsional moment carrying capacity, effective strain of CFRP laminates and diagonal compressive strut angle. The proposed analytical equations predict the experimental results well with a 7% error.A técnica de reforço baseada na introdução de finos laminados de fibra de carbono (CFRP) em entalhes executados no betão de recobrimento do elemento a reforçar, designada pelo acrónimo NSM, tem sido aplicada no reforço à flexão e corte de estruturas de betão armado (RC) ao longo das últimas duas décadas. No entanto, a aplicação da técnica NSM no reforço à torção das estruturas de betão armado é praticamente inexistente, em especial em elementos de secção tubular de paredes finas. Assim, a presente tese foca-se no reforço desses elementos com comportamento deficiente à torção, usando a técnica de NSM com utilização de laminados de CFRP retos e em forma de L. A técnica oferece vantagens substanciais em relação às técnicas tradicionais suportadas na utilização de materiais de reforço convencionais, e mesmo em relação à técnica baseada na colagem externa de CFRP (EBR). A investigação envolve trabalho experimental e analítico, sendo complementado com simulações numéricas. A análise não linear material baseada no método dos elementos finitos é realizada para auxiliar a preparação do programa experimental e no projeto do sistema de ensaio. Um estudo paramétrico é efetuado para avaliar a influência que os seguintes parâmetros têm na eficácia da técnica NSM com laminados de CFRP: variação longitudinal e transversal da armadura de aço; variação da classe de resistência do betão; percentagem do reforço longitudinal e transversal em CFRP. O principal objetivo do trabalho experimental é determinar resultados confiáveis para avaliar as potencialidades e as debilidades da técnica NSM no reforço de elementos tubulares de paredes finas em betão armado, e contribuir para o desenvolvimento de formulações que permitam o dimensionamento destes sistemas de reforço. Para o efeito, três séries de testes com protótipos tubulares de betão armado são testadas experimentalmente, determinando-se: a relação entre o momento torsional e o ângulo de rotação por torsão; deformações nas armaduras e nos laminados CFRP; e os padrões de fendilhação e modos de rotura. A técnica baseada na correlação de imagens digitais (DIC) também é usada na tentativa de enriquecer o conhecimento fornecido por esses testes, em especial o relativo à formação e propagação de fissuras, e ao campo de extensões na superfície dos protótipos. As configurações de reforço são categorizadas em três séries: (i) reforço com laminados retilíneos de CFRP nas quatro faces dos protótipos (ii) reforço com laminados retilíneos de CFRP em três das quatro faces dos protótipos e (iii) reforço das quatro faces dos protótipos com laminados de CFRP de geometria L. Todas as propostas de reforço aumentaram o máximo momento de torção (18% - 46%), o correspondente ângulo de rotação torsional (20% - 76%), e promoveram uma diminuição no espaçamento entre fendas (16% - 56%). Com base nos resultados obtidos, equações analíticas são desenvolvidas usando o método de escoras e tirantes para elementos tubular de paredes finas de betão armado reforçados com laminados de CFRP aplicados segundo a técnica NSM. As equações apresentadas servem para determinar o momento de torção último, a extensão efetiva em laminados CFRP e o ângulo diagonal de compressão. As equações analíticas propostas preveem os resultados experimentais com um erro médio de 7%.Barros, Joaquim A. O.Guadagnini, MaurizioUniversidade do MinhoGowda, Chandan Chinnagiri2019-07-052019-07-05T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/65878por101551266info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T06:03:24Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/65878Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T15:39:28.872081Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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