Flexural stiffness analysis of concrete elements with composite reinforcement under repeated load and elevated temperature

Abstract

The use of fiber-reinforced polymer (FRP) materials in various structural applications as an alternative to steel is gaining popularity due to their lightweight, electromagnetic transparency, and corrosion resistance. However, their mechanical performance under elevated ambient temperatures and humidity is known to degrade, and the extent of degradation needs to be quantified. This dissertation proposed a standardized testing layout and analytical model to quantify the flexural stiffness of the beam samples with composite reinforcement. The developed analytical model explicitly relates particular moment and curvature values, requiring neither iterative calculations nor load history. This feature enables comparative analysis and quantification of the flexural stiffness of repeatedly loaded composite elements with different reinforcement materials layouts. Thus, the proposed testing layout and analytical approach provide a uniform and systematic methodology to quantify and compare the mechanical performance of various composite reinforcement combinations subjected to repeated loading conditions. This study investigates the impact of unfavorable environmental effects on the mechanical performance of composite reinforcement. The research considers several typical composite reinforcement layouts, including embedded glass fiber-reinforced polymer bars, externally bonded carbon fiber (CF) sheets, and near-surface-mounted (NSM) carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) strips. The study has identified the efficiency of hybrid reinforcement using CFRP materials and steel bars. The proposed experimentally verified simplification of the analytical model describes the scientific novelty of this dissertation. It allows the model to solve the tension-stiffening problem independent of the loading conditions and quantify the flexural stiffness alteration under repeated loading conditions. The dissertation is structured into an introduction, three chapters, general conclusions, a list of the literature references, and a list of the Author’s publications on the dissertation topic. The first chapter reviews the literature on microstructure, physical properties, and constitutive models of FRP materials. The second chapter presents the proposed methodology for the stiffness analysis of composites with FRP reinforcement compositions subjected to monotonic, repeated mechanical, and combined loads. The third chapter presents several examples of the proposed procedure, considering the comparative analysis of the composite reinforcement subjected to monotonic and repeated mechanical loads and the elevated temperature (up to 60 °C) combined with repeated mechanical loads. It also investigates the degradation mechanisms of adhesive bonds between CF sheets and concrete. The list of the Author’s publications on the dissertation’s topic consists of eight publications (two with an Impact factor from ISI Web of Science Database) and six international conference presentations.

Pluoštu armuotos polimerinės (FRP) medžiagos yra lengvos, atsparios korozijai ir nesukuria elektromagnetinių laukų, todėl konstrukcijose jos tampa vis populiaresne alternatyva plienui. Jų mechaninės savybės yra itin jautrios aplinkos temperatūros bei drėgmės pokyčiams, todėl būtina nustatyti, kaip šie veiksniai jas veikia. Disertacijoje pristatomas standartizuotas sijų, armuotų polimerinėmis medžiagomis, bandymų metodas bei analitinis modelis, leidžiantis kiekybiškai įvertinti nagrinėjamų elementų lenkiamąjį standumą. Sukurtas modelis tiesiogiai sieja lenkimo momento ir kreivio vertes, be to, jo taikymui nereikalingi iteraciniai skaičiavimai ar apkrovimo istorija. Šis modelis leidžia atlikti statinėmis bei pasikartojančiomis apkrovomis veikiamų sijų, armuotų skirtingais būdais, lyginamąją analizę ir kokybiškai įvertinti jų lenkiamąjį standumą. Siūloma bandymų schema ir analitinis sprendimo būdas sudaro vieną metodą, skirtą analizuoti skirtingas kompozitinio armavimo sistemas, veikiamas pasikartojančių apkrovų. Šiame darbe nagrinėjamas nepalankių aplinkos veiksnių poveikis kompozitinių armavimo sistemų eksploatacinėms savybėms. Tyrime analizuojamos kelios tipiškos armavimo sistemos – armavimo sistema su įbetonuojamais polimeriniais stiklo pluoštu armuotais strypais, armavimo sistema su išoriškai tvirtinamais anglies pluošto (CF) lakštais ir armavimo sistema su sijų paviršiuje tvirtinamomis anglies pluoštu armuoto polimero (CFRP) juostomis. Tyrimais nustatytas hibridinių sistemų, kurioms naudojami plieniniai strypai ir CFRP medžiagos, efektyvumas. Šio darbo mokslinis naujumas – eksperimentiškai pagrįstas analitinio modelio supaprastinimas. Šis modelis tinka spręsti tempiamojo sustandėjimo problemą nepaisant apkrovos sąlygų ir kiekybiškai įvertinti lenkiamojo standumo pokyčius veikiant pasikartojančioms apkrovoms. Disertaciją sudaro įvadas, trys skyriai, bendrosios išvados, literatūros sąrašas, disertacijos tema autoriaus paskelbtų publikacijų sąrašas ir disertacijos santraukos lietuvių kalba. Pirmajame skyriuje apžvelgiama mokslinė literatūra, kurioje nagrinėjamos FRP medžiagos, jų mikrostruktūra, fizikinės savybės ir elgsenos modeliai. Antrajame skyriuje pateikiama metodika, skirta nustatyti FRP medžiagomis armuotų elementų, veikiamų statinėmis, pasikartojančiomis bei kombinuotomis apkrovomis, lenkiamąjį standumą. Trečiajame skyriuje pateikiami keli siūlomos metodikos taikymo pavyzdžiai, kuriuos pasitelkus atliekama kompozitinių armavimo sistemų, veikiamų statinėmis ir pasikartojančiomis apkrovomis bei pasikartojančiomis apkrovomis esant padidintai aplinkos temperatūrai (iki 60 °C), lyginamoji analizė. Taip pat nagrinėjami CF lakštų ir betono adhezinių jungčių irimo mechanizmai. Disertacijos tema autoriaus paskelbtų publikacijų sąrašą sudaro aštuonios publikacijos (dvi iš jų paskelbtos leidiniuose su Web of Science duomenų bazės cituojamumo rodikliu) ir šeši tarptautinių konferencijų pranešimai.