, Volume 25, Issue 4, pp 201-211

Strengthening of RC beams with epoxy-bonded fibre-composite materials

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Abstract

Strengthening of concrete beams with externally bonded fibre-reinforced plastic (FRP) materials appears to be a feasible way of increasing the load-carrying capacity and stiffness characteristics of existing structures. FRP-strengthened concrete beams can fail in several ways when loaded in bending. The following collapse mechanisms are identified and analysed in this study: steel yield-FRP rupture, steel yield-concrete crushing, compressive failure, and debonding. Here we obtain equations describing each failure mechanism using the strain compatibility method, concepts of fracture mechanics and a simple model for the FRP peeling-off debonding mechanism due to the development of shear cracks. We then produce diagrams showing the beam designs for which each failure mechanism is dominant, examine the effect of FRP sheets on the ductility and stiffness of strengthened components, and give results of four-point bending tests confirming our analysis. The analytical results obtained can be used in establishing an FRP selection procedure for external strengthening of reinforced concrete members with lightweight and durable materials.

Resume

Le renforcement externe de poutres de béton par collage de plastiques renforcés de fibres (FRP) semble un moyen adéquat d'accroître la capacité portante et la rigidité des constructions existantes. Les poutres de béton renforcées de FRP peuvent se rompre de différentes manières quand elles sont chargées en flexion. On identifie et on analyse dans cette étude les processus d'effondrement: fléchissement acier-rupture FRP, fléchissement acier-fragmentation du béton, rupture en compression et décollement.

Nous obtenons ici des équations décrivant chaque mécanisme de rupture en ayant recours à la méthode de déformation compatible, aux concepts de la mécanique de la rupture et à un modèle simple pour le mécanisme du décollement dû aux fissures de cisaillement. Ensuite, nous produisons des diagrammes montrant les calculs de poutre correspondant à chaque mécanisme de rupture, et nous examinons les effets des feuilles de FRP sur les caractéristiques de ductilité et de rigidité des composants renforcés.

En fin de compte, nous donnons les résultats d'essais de flexion quatre points sur des poutres en béton armé renforcées de diverses quantités de feuilles de carbone FRP unidirectionnelles (CFRP). Les résultats confirment l'analyse et soulignent le rôle important de la fissuration dans la délamination de la plaque composite par le processus de décollement. Il apparaît que ce processus impose une limite à l'épaisseur de la feuille composite au-delà de laquelle une rupture fragile se produit, sans que la capacité de flexion soit entièrement réalisée ni la ductilité assurée. On peut utiliser les résultats analytiques obtenus pour établir un processus de sélection de FRP pour le renforcement externe d'éléments de béton par des matériaux légers et durables.