Study of the structural behavior of hybrid elements of carbon fiber reinforced polymer and concrete
Authors:   , Mahboob Amir 
Published: July 2023

Creating sustainability and public infrastructure is a fairly recent subject the engineering community has been debating. Introducing new building materials or introducing new structural designs is a strategy for constructing buildings that have long-term reliability and low maintenance requirements. Fiber-reinforced polymers (FRP) are one of the innovative approaches in the field of civil engineering that offer promising results in this regard. In order to maximize the usage of FRP forms, researchers suggested the development of hybrid structural structures by mixing composite materials with standard materials, such as concrete, to enhance the stability, ductility and buckling resistance of single FRP members. Nevertheless, these composite solutions need more preliminary research to prove its feasibility due to the complexity and large range of hybrid components. However, as there is a current shortage of compulsory codes for the design of composite structures and consequently FRP-concrete members, accurate predictive models need to be created. Thus, the present work aims at testing the structural efficiency of hybrid slabs made of CFRP sheets under a concrete layer in bending and shear configurations by carrying an experimental and analytical analysis. Using Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) bonded with resin is usual to strengthen concrete slabs or other elements. This thesis introduces a novel technological definition of thin CFRP-concrete unidirectional hybrid slabs. In bending part, experimental quasi-static three-points bending tests and modal analysis tests were carry out to analyze the influence of the connection systems on the dynamic response. Moreover, the corresponding analytical methodology to calculate their response are presented. Four different connection strategies between CFRP sheet and concrete were tested. These included flexible mesh embedding and particle-based frictional enhancement. The maximum bending moment, the evolution of the neutral axis, the comparison between external moment (calculated from applied load) and internal moment (calculated from strain distribution), the CFRP-concrete interface shear stress, and the evolution of the vertical displacement at the loading point are the main results obtained from the tests. In shear part, this work investigates the shear behavior of hybrid slabs that used different types of particles and/or a flexible high strength fabric to connect both materials: concrete and CFRP sheet. Several pure-shear experiments have been carried out to characterize the interface shear response of these hybrid elements. These increase the experimental database on CFPR-concrete shear connection systems. Experimental results showed that the improvement resulting from fabric embedding is far more significant than other tested connection elements at increasing the shear connection strength between the parts of the composite slabs. Results are divided with technological and scientific contributions. The feasibility of using CFRP sheets in hybrid unidirectional slabs instead of steel sheets is the main technological contribution, which also offers the following advantages: lighter weight and resistance to corrosion. Qualitative and quantitative analysis of the CFRP-concrete connection alternatives point out that combining adherence and frictional based strategies is the most promising method. An analytical method for the modelling of concrete slabs with CFRP was developed. In function of full cross-section interaction some equations for bending ultimate limit states were suggested. The possibility of using simpler formulas for quantifying interlayer slip effects was analyzed in assessing deflections, flexural stiffness, bending efficiency and normal and shear stress distributions. The proposed analytical method was able to capture the structural behavior and performance of the specimens.
La creació d'infraestructura pública i sostenible és un tema de plena actualitat que la comunitat de l¿enginyeria ha estat debatent des de fa anys. Els polímers reforçats amb fibra (FRP) són un dels materials innovadors en el camp de l'enginyeria civil que ofereixen resultats prometedors en aquest sentit. Per maximitzar l'ús de formes de FRP s'estan desenvolupant estructures híbrides barrejant materials compostos amb materials tradicional, com el formigó, per millorar l'estabilitat, ductilitat i resistència al vinclament de membres individuals de FRP. A més, com hi ha una escassetat actual de codis obligatoris per al disseny d'estructures compostes i, en conseqüència, elements de formigó FRP, cal crear models predictius necessaris perquè es puguin estandarditzar. Abordar els problemes esmentats anteriorment és essencial per augmentar la introducció de materials compostos avançats en tipus comuns d'obres i construccions públiques. Així, el present treball té com a objectiu provar l'eficiència estructural de lloses híbrides de làmines de CFRP amb una capa de formigó, en configuracions de flexió i tallant, mitjançant la realització d'un anàlisi experimental i analític. L'ús de polímers reforçats amb fibra de carboni (CFRP) unit amb resina és habitual per reforçar lloses i altres elements de formigó. Aquesta tesi introdueix una definició tecnològica innovadora de lloses híbrides unidireccionals de formigó-CFRP de làmina prima. A la part de flexió es van realitzar assajos experimentals de flexió quasiestàtics, de tres punts, i assajos d'anàlisi modal per analitzar la influència dels sistemes de connexió en la resposta dinàmica. Així mateix, es presenta la metodologia analítica corresponent per calcular la seva resposta. Es van provar quatre estratègies de connexió diferents entre la làmina de CFRP i el formigó. Aquestes van incloure l¿embegut de malla flexible en el formigó i la millora de la fricció basada en partícules. El moment flector màxim, l'evolució de l'eix neutre, la comparació entre el moment extern (calculat a partir de la càrrega aplicada) i el moment intern (calculat a partir de les deformacions), l'esforç tallant de la interfície CFRP-formigó i l'evolució del desplaçament vertical en el punt de càrrega, són els principals resultats obtinguts de les proves. Aquest treball investiga el comportament rasant de lloses híbrides on els materials de CFRP i formigó es van connectar mitjançant diferents tipus d'agregats i tèxtils flexibles d'alta resistència. S'han dut a terme experiments de tall pur per caracteritzar la resposta de la interfície d'aquests elements híbrids. Aquests assajos augmenten la base de dades experimental sobre sistemes de connexió de tall de formigó-CFPR. Els resultats experimentals van mostrar que la tela embeguda produeix una millora en l'augment de la resistència estructural de manera molt més significativa que amb altres sistemes de connexió provats. La viabilitat d'utilitzar xapes de CFRP en lloses unidireccionals híbrides, en lloc de xapes d'acer, és la principal aportació tecnològica que, a més, ofereix els següents avantatges: menor pes i major resistència a la corrosió. Els anàlisis qualitatiu i quantitatiu de les alternatives de connexió CFRP-formigó assenyalen que la combinació d'estratègies basades en adherència i fricció és el mètode més prometedor. Així mateix, es va desenvolupar un mètode analític per a la modelització de lloses de formigó amb CFRP. En funció dels principis de la interfície completa, es suggereixen equacions per calcular els estats límit últims. La possibilitat d'utilitzar fórmules més simples per quantificar els efectes de lliscament entre capes va ser analitzada en l'avaluació de deflexions, rigidesa de flexió, eficiència de flexió i distribucions d'esforços normals i tallants. El mètode analític proposat va ser capaç de capturar el comportament estructural i el rendiment mecànic de les mostres.
La creación de infraestructura pública y sostenible es un tema de plena actualidad que la comunidad de ingenieros ha estado debatiendo desde hace años. La introducción de nuevos materiales de construcción o la introducción de nuevos diseños estructurales es una estrategia eficiente para construir edificios que tengan fiabilidad a largo plazo y requisitos de bajo mantenimiento. Los polímeros reforzados con fibra (FRP) son uno de los materiales innovadores en el campo de la ingeniería civil que ofrecen resultados prometedores en este sentido.
Para maximizar el uso de formas de FRP se están desarrollando estructuras híbridas mezclando materiales compuestos con materiales estándar, como el hormigón, para mejorar la estabilidad, ductilidad y resistencia al pandeo de miembros individuales de FRP. Sin embargo, estas soluciones compuestas necesitan más investigación preliminar para demostrar su viabilidad debido a la complejidad y la amplia gama de componentes híbridos. Además, como existe una escasez actual de códigos obligatorios para el diseño de estructuras compuestas y, en consecuencia, elementos de hormigón FRP, es necesario crear modelos predictivos precisos para que puedan estandarizarse. Abordar los problemas mencionados anteriormente es esencial para aumentar la introducción de materiales compuestos avanzados en tipos comunes de obras y construcciones públicas.
Así, el presente trabajo tiene como objetivo probar la eficiencia estructural de losas híbridas de láminas de CFRP con una capa de hormigón, en configuraciones de flexión y cortante, mediante la realización de un análisis experimental y analítico. El uso de polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) unido con resina es habitual para reforzar losas y otros elementos de hormigón. Esta tesis introduce una definición tecnológica novedosa de losas híbridas unidireccionales de hormigón-CFRP de lámina delgada. En la parte de flexión se realizaron ensayos experimentales de flexión cuasi estáticos, de tres puntos, y ensayos de análisis modal para analizar la influencia de los sistemas de conexión en la respuesta dinámica. Asimismo, se presenta la metodología analítica correspondiente para calcular su respuesta. Se probaron cuatro estrategias de conexión diferentes entre la lámina de CFRP y el hormigón. Estos incluyeron el embeber una malla flexible en el hormigón y la mejora de la fricción basada en partículas. El momento flector máximo, la evolución del eje neutro, la comparación entre el momento externo (calculado a partir de la carga aplicada) y el momento interno (calculado a partir de la distribución de deformaciones), el esfuerzo cortante de la interfaz CFRP-hormigón y la evolución del desplazamiento vertical en el punto de carga, son los principales resultados obtenidos de las pruebas.
En el estudio del cortante, este trabajo investiga el comportamiento rasante de losas híbridas donde los materiales de CFRP y hormigón se conectaron mediante diferentes tipos de agregados y textiles flexibles de alta resistencia. Se han llevado a cabo experimentos de corte puro para caracterizar la respuesta de la interfaz de estos elementos híbridos. Estos ensayos aumentan la base de datos experimental sobre sistemas de conexión de corte de hormigón-CFPR. Los resultados experimentales mostraron que la tela embebida produce una mejora en el aumento de la resistencia estructural de manera mucho más significativa que con otros sistemas de conexión probados.
Los resultados de la tesis se dividen en contribuciones de tipo tecnológico y científico. La viabilidad de utilizar chapas de CFRP en losas unidireccionales híbridas, en lugar de chapas de acero, es el principal aporte tecnológico, que además ofrece las siguientes ventajas: menor peso y mayor resistencia a la corrosión. Los análisis cualitativo y cuantitativo de las alternativas de conexión CFRP-hormigón señalan que la combinación de estrategias basadas en adherencia y fricción es el método más prometedor. Asimismo, se desarrolló un método analítico para el modelado de losas de hormigón con CFRP. En función de los principios de la conexión completa se sugieren ecuaciones conceptuales para calcular los estados límite últimos. La posibilidad de utilizar fórmulas más simples para cuantificar los efectos de deslizamiento entre capas fue analizada en la evaluación de deflexiones, rigidez de flexión, eficiencia de flexión y distribuciones de esfuerzos normales y cortantes. El método analítico propuesto fue capaz de capturar el comportamiento estructural y el rendimiento mecánico de las muestras.