Experimental and Numerical Analysis on the Structural Behaviour of RC Beams Strengthened with CFRP Laminates under Fire Conditions

Abstract

The use of carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates on strengthening and rehabilitation of reinforced concrete (RC), steel and timber structures has been widely used in the past few years due to the excellent mechanical performance, lightness, ease of application and corrosion resistance at ambient temperature of this composite material. However, it is well known that CFRP strengthening systems are very vulnerable to high thermal exposure as well as the ones developed in a fire scenario. These systems can rapidly lose the effectiveness of their service conditions and (in some cases) lead the structure to collapse. In these systems, the bond between the CFRP and concrete is the most critical element. When exposed to high temperatures, the bond loses its mechanical properties and consequently the strengthening system collapses. The increasing use of these systems on the strengthening of concrete structures, the possibility of fires in buildings, their thermal vulnerability and the gap in current fire design standards, have generated many concerns for the fire safety engineering society. Therefore, a better understanding of the thermomechanical response of CFRP-strengthened structures, especially RC beams, under thermal conditions is crucial, enabling a reliable safety design of those structures in fire situations. This PhD thesis and the consequent research intends to be an important contribution in this regard. The main purpose of this research was to assess the flexural behaviour of RC beams externally strengthened with CFRP laminates under fire conditions. Other important goal of this investigation was to evaluate the effectiveness/influence of the different and new fire protection systems varying its thickness and to verify their practical applicability in strengthening systems in a fire situation. In order to achieve the objectives of this research, an experimental and numerical program have been carried out at the Department of Civil Engineering (DEC) of the University of Coimbra (UC), in Portugal. In the experimental part, a great number of fire resistance (FR) tests were carried out on CFRP-strengthened RC beams thermally insulated with passive fire protection systems of vermiculite-perlite (VP), expanded clay (EC) aggregates and ordinary Portland (OP) cement-based mortars, in a fire scenario as real as possible. These tests were intended to study several parameters that might influence the structural response of these members in fire situations, such as, the critical temperature-time of debonding of the EBR strengthening system, collapse of the fire protection system and of the beam failure. The FR tests have been performed under transient state conditions with the specimens subjected to a serviceability loading. In addition, flexural tests at ambient temperature have been performed as reference. To complement the experimental program, Single lap Shear Tests (SST) at elevated temperatures on concrete blocks strengthened with CFRP laminates were performed. The SST tests were carried out to investigate the behaviour of the bond between concrete and CFRP at elevated temperatures in terms of bond strength, displacements and axial strains. The response of the bond was analysed under steady state conditions. First, the specimens were heated to the setpoint temperature and then they were loaded up to failure. The CFRP laminate was in both type of tests assembled using the externally bonded reinforcement (EBR) technique. Reference tests at ambient temperature were also carried out. Regarding the numerical phase, a large number of numerical simulations using a three-dimensional (3D) commercial finite element (FE) software package was performed. The numerical analyses made it possible to verify the results of the experimental tests and allow to enlarge the research to other situations not tested experimentally in a future parametric study. A series of different parameters that have influence on the behaviour of RC beams strengthened with CFRP in a fire situation were simulated. The experiments confirmed the limited fire behaviour of the CFRP-concrete bond in these systems and the need for their fire protection, which in turn is a critical zone. The results showed that the passive fire protection materials provided the integrity of strengthening for long periods of fire exposure. The results of SST tests also showed that approximately 40% of the bond strength was lost to temperatures near to the glass transition temperature (Tg) of the adhesive. However, despite the loss of bond strength with the increasing temperatures, a significant residual strength retention was still noticed for temperatures higher than the Tg. Similar tendency was noticed on the fire tested CFRP-strengthened RC beams, where the debonding of the strengthening system also occurred for temperatures above Tg of the adhesive. Finally, the FE models developed were successfully validated and presented an excellent agreement with the experimental results, being able to reproduce the thermomechanical response of the tested beams with fairly good accuracy.

O uso de laminados de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) no reforço e reabilitação de estruturas de betão armado, aço e madeira tem sido amplamente utilizado nos últimos anos devido ao seu excelente desempenho mecânico, leveza, facilidade de aplicação e resistência à corrosão sob condições de temperatura ambiente. No entanto, é bem sabido que os sistemas de fortalecimento CFRP são muito vulneráveis à elevada exposição térmica, como aquelas desenvolvidas em um cenário real de incêndio. Esses sistemas podem rapidamente perder a eficácia de suas condições de serviço e (em alguns casos) levar a estrutura ao colapso. Nestes sistemas, a ligação entre o CFRP e o betão é a área mais crítico. Quando exposto a altas temperaturas, a ligação perde suas capacidades mecânicas e, consequentemente, o sistema de fortalecimento colapsa. O uso crescente desses sistemas no reforço de estruturas de betão, a possibilidade de incêndios em edifícios, sua vulnerabilidade térmica e a lacuna nas normas atuais de projeto de incêndio têm gerado muitas preocupações para a sociedade de engenharia de segurança contra incêndios. Portanto, um melhor entendimento da resposta termomecânica de estruturas reforçadas com CFRP, especialmente vigas de betão armado, sob condições térmicas é crucial, permitindo projetar essas estruturas de forma segura para situações de incêndio. Essa tese de doutorado e a consequente pesquisa pretendem ser uma importante contribuição nesse sentido. O principal objetivo desta pesquisa foi avaliar o comportamento à flexão de vigas de betão armado reforçadas externamente com laminados CFRP sob condições de incêndio. Outro objetivo importante desta investigação foi avaliar a eficácia/influência de diferentes e novos sistemas de proteção contra incêndio, variando sua espessura, e verificar sua aplicabilidade nos sistemas de reforço para uma situação de incêndio. Para atingir os objetivos desta pesquisa, um programa experimental e numérico foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil (DEC) da Universidade de Coimbra (UC), em Portugal. Na parte experimental, um grande número de ensaios de resistência ao fogo foram realizados em vigas reforçadas com CFRP, termicamente protegidas com sistemas passivos contra incêndio compostos por argamassas de vermiculita-perlita (VP), agregados de argila expandida (EC) e cimento Portland comum (OP ) em uma configuração de ensaios que representasse um cenário de incêndio da forma mais fiel possível. Pretendeu-se com estes ensaios estudar vários parâmetros que pudessem influenciar a resposta estrutural destes elementos em situações de incêndio, como a temperatura crítica vs. tempo do colapso do sistema de reforço EBR, o colapso do sistema de proteção contra incêndio e a falha da viga. Os ensaios de resistência ao fogo foram realizados em condições de estado transitório com os provetes sujeitos a uma carga de serviço. Além disso, ensaios de flexão à temperatura ambiente foram realizados como referência. Para complementar o programa experimental, ensaios de cisalhamento único (SST) em blocos de betão reforçados com laminados de CFRP à temperaturas elevadas foram realizados. Os ensaios SST foram realizados para investigar o comportamento ao fogo da ligação entre o betão e o CFRP em termos de resistência à tração, deslocamentos e deformações axiais. A resposta da ligação foi analisada em condições de estado estacionário. Primeiro, as amostras foram aquecidas até a temperatura nominal e, em seguida, foram carregadas até a falha. O laminado de CFRP foi em ambos os tipos de ensaios colado usando a técnica de ligação externa (EBR). Ensaios de referência à temperatura ambiente também foram realizados. Em relação à fase numérica, foi realizado um grande número de simulações numéricas utilizando um software comercial de elementos finitos tridimensionais (3D). As análises numéricas permitiram verificar os resultados dos ensaios experimentais e tornou possível a ampliação da pesquisa para outras situações não testadas experimentalmente em um futuro estudo paramétrico. Uma série de diferentes parâmetros que influenciam no comportamento das vigas de betão armado reforçadas com CFRP em situação de incêndio foram simulados. Os experimentos confirmaram o comportamento limitado ao fogo da ligação CFRP-betão e a necessidade de sua proteção contra incêndio, que por sua vez é uma zona crítica. Os resultados mostraram que os materiais passivos de proteção contra incêndio proporcionaram a integridade do reforço por longos períodos de exposição ao fogo. Os resultados dos ensaios SST também mostraram que aproximadamente 40% da resistência mecânica da ligação foi perdida para temperaturas próximas à temperatura de transição vítrea (Tg) do adesivo. No entanto, apesar da perda da resistência mecânica da ligação com o aumento de temperatura, uma significativa retenção mecânica residual ainda foi notada para temperaturas superiores a Tg. Tendência semelhante foi notada nas vigas reforçadas com CFRP ensaiadas ao fogo, onde a falha do sistema de reforço também ocorreu para temperaturas superiores a Tg do adesivo. Por fim, os modelos de elementos finitos desenvolvidos foram validados com sucesso e apresentaram excelente compatibilidade com os resultados experimentais, sendo capazes de reproduzir a resposta termomecânica das vigas testadas com boa precisão.