Behavior of Rc Beams Strengthened in Shear with FRCM Composites

Interventions for strengthening, repairing, and upgrading of existing reinforced concrete (RC) structures are aimed to increase/restore their structural capacity to withstand flexural, shear, torsional, and axial loads. Reasons to carry out such interventions vary from the need to upgrade the structure to current guidelines, overcome design and construction mistakes, and allow an increment in load due to a change in use. In addition, unexpected overloading events, such as earthquakes, might damage the structure, reducing its original performance. The same behavior can be expected in the case of fire or lack of adequate maintenance. In the previous decades the use of fiber reinforced polymer (FRP) composites has gained worldwide popularity to carry out such interventions due to some of their properties such as high strength-to-weight ratio, ease of application, and good corrosion resistance. However, the use of organic resin matrix in FRP composites has been associated with some limitations of their use such as inability to apply onto wet surfaces, low resistance to relatively high temperatures, and difficulty to carry out post-earthquake assessment. For this reason, in recent years, an important research effort has been developed in order to study composites known as fiber reinforced cementitious matrix (FRCM) composites, in which the organic resin is replaced by an inorganic matrix. In this thesis, the behavior of RC beams strengthened in shear with externally bonded FRCM composites is studied. The first part of this thesis summarizes the state of research on the topic of shear strengthening of RC beams using externally bonded FRCM composites with the goal of serving as a reference point for the development of future research. A detailed bibliographical review of the literature on the shear strengthening of RC beams using FRCM composites is carried out, and the major findings and main aspects that should be addressed in future research are indicated. The collected experimental evidence shows that FRCM composites are able to increase the shear strength of RC beams, modifying in some cases the type of failure from shear to a flexural mode. Then, the results of an experimental campaign on shear strengthening of RC beams with externally bonded FRP and FRCM composites are presented. FRP and FRCM composites with two different fiber types are examined. Two different stirrup spacings were employed to investigate the internal-external shear reinforcement interaction. Considering the limited experimental evidence on the use of anchors for RC beams strengthened in shear with FRCM composites, the performance of FRCM strengthened beams with and without anchors is also compared. Results show that the effectiveness of the FRCM system depends on the spacing of theinternal shear reinforcement. In addition, internal-external shear reinforcement interaction was witnessed, but the intereaction appears to be less pronounced than in beams strengthened with FRP composites. Design models proposed to predict the contribution of the FRCM composite to the shear strength of RC beams are assessed using the database of experimental results collected and compiled by the author and the experimental results included in this thesis. Results show that the performance of the models is highly influenced by the type of failure mode attained by the strengthened beams. In addition, the use of the FRCM composite properties instead of the bare fiber mechanical characteristics does not result in an increase in the accuracy of the models. Strains measured by strain gauges mounted onto the internal (stirrups) and external (FRCM system) transverse reinforcement of the tested beams are used to compute the individual contributions of the concrete, steel, and fibers to the overall shear strength of the FRCM strengthened beams, and to study the possible interaction among them. It was found that the concrete contribution to the shear resistance starts to decrease after first cracking of the concrete is achieved. After this point, the stirrup and fiber contributions start to increase until the peak load is attained. Lastly, a new analytical model based on the bond behavior of the FRCM composites applied onto concrete substrates is introduced and discussed. Although additional tests are required to calibrate the model, initial results show that the assumptions and hypothesis used during its development are appropriate.

Gli interventi per il rafforzamento e la riparazione delle strutture esistenti in calcestruzzo armato mirano ad aumentare e ripristinare la loro capacità strutturale per resistere a carichi flessionali, a taglio, torsionali e assiali. I motivi per fare tali interventi variano dalla necessità di aggiornare la struttura alle linee guida attuali, superare gli errori di progettazione e costruzione e consentire un incremento del carico a causa di un cambiamento nell'uso. Inoltre, eventi di sovraccarico inaspettati, come terremoti, potrebbero danneggiare la struttura, riducendo le prestazioni originali. Lo stesso comportamento può essere previsto in caso d’incendio o mancanza di manutenzione adeguata. Nei decenni precedenti l'uso di compositi polimerici rinforzati con fibre (FRP) ha guadagnato popolarità in tutto il mondo per fare tali interventi a causa di alcune delle loro proprietà come il rapporto tra forza-peso, facilità di applicazione e buona resistenza alla corrosione. Tuttavia, l'uso della matrice di resina organica dei compositi FRP è stato associato ad alcune limitazioni del loro uso, come l'incapacità di applicare su superfici bagnate, bassa resistenza a temperature relativamente alte e difficoltà nella valutazione post-terremoto. Per questo motivo, negli ultimi anni, è stato sviluppato un importante sforzo di ricerca per lo studio di compositi noti come compositi a matrice cementizia fibrorinforzata (FRCM), in cui la resina organica viene sostituita da una matrice inorganica. In questa tesi, è studiato il comportamento de travi di calcestruzo armato rafforzate a taglio con compositi FRCM. La prima parte di questa tesi riassume lo stato della ricerca sul tema del rinforzo a taglio delle travi RC utilizzando compositi FRCM con legami esterni con l'obiettivo di servire come punto di riferimento per lo sviluppo della ricerca futura. Viene effettuata una revisione bibliografica dettagliata della letteratura sul rafforzamento a taglio delle travi utilizzando i compositi FRCM, e vengono indicati i principali risultati e gli aspetti principali che dovrebbero essere affrontati nelle ricerche future. Le prove sperimentali raccolte mostrano che i compositi FRCM sono in grado di aumentare la resistenza al taglio delle travi, modificando in alcuni casi il tipo di cedimento da taglio a una modalità a flessione. Quindi, sono presentati i risultati di una campagna sperimentale sul rinforzo a taglio di travi con compositi FRP e FRCM. Vengono esaminati i compositi FRP e FRCM con due diversi tipi di fibre. Sono state impiegate due diverse spaziature delle staffe per studiare l'interazione di rinforzo di taglio interno-esterno. Considerando le limitate prove sperimentali sull'uso di elementi di ancoraggio travi rinforzate a taglio con materiali compositi FRCM, viene anche confrontata la prestazione di travi rinforzate FRCM con e senza ancoraggi. I risultati mostrano che l'efficacia del sistema FRCM dipende dalla spaziatura del rinforzo del taglio interno. Inoltre, è stata osservata l'interazione di rinforzo di taglio interno-esterno, ma l'interazione sembra essere meno pronunciata rispetto alle travi rinforzate con compositi FRP. I modelli di progettazione proposti per prevedere il contributo del composito FRCM alla resistenza al taglio delle travi sono valutati utilizzando il database dei risultati sperimentali raccolti e compilati dall'autore e i risultati sperimentali inclusi in questa tesi. I risultati mostrano che le prestazioni dei modelli sono fortemente influenzate dal tipo di modalità di rottura raggiunta. Inoltre, l'uso delle proprietà dei compositi FRCM al posto delle caratteristiche meccaniche delle fibre non comporta un aumento dell'accuratezza dei modelli. Le deformazioni misurati dagli estensimetri montati sulle armature interne (staffe) e esterne (sistema FRCM) delle travi sottoposte a prova vengono utilizzati per calcolare i singoli contributi del calcestruzzo, dell'acciaio e delle fibre alla resistenza complessiva al taglio delle travi rinforzate con i compositi FRCM, e per studiare la possibile interazione tra loro. Si è costatato che il contributo concreto alla resistenza al taglio inizia a diminuire dopo il primo crollo del calcestruzzo. Dopo questo punto, i contributi della staffa e della fibra iniziano ad aumentare fino al raggiungimento del picco di carico. Infine, è introdotto e discusso un nuovo modello analitico basato sul comportamento del legame dei compositi FRCM applicati su substrati in calcestruzzo. Sebbene siano necessari successivi test per calibrare il modello, i risultati iniziali mostrano che le ipotesi utilizzate durante il suo sviluppo sono appropriate.