Materials and Structures

, Volume 25, Issue 4, pp 201–211

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

  • T. C. Triantafillou
  • N. Plevris
Article

DOI: 10.1007/BF02473064

Cite this article as:
Triantafillou, T.C. & Plevris, N. Materials and Structures (1992) 25: 201. doi:10.1007/BF02473064

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.

Notation

A

Area

As

Area of steel reinforcement

a

Crack length

b

Width of cross-section

bfc

Width of fibre-composite sheet

C

Compliance

c

Distance from extreme compressive fibre to neutral axis

d

Effective depth

E

Young's modulus

Ec

Young's modulus of concrete

Efc

Young's modulus of fibre-composite

Es

Young's modulus of steel

fc

Stress in concrete

fc

Compressive strength of concrete

ffc

Stress in fibre-composite

fr

Modulus of rupture for concrete

fs

Stress in steel

fy

Yield stress of steel

G

Shear modulus

Gfc

Shear modulus of fibre-composite

Gs

Shear modulus of steel

GII

Mode II strain energy release rate

GIIC

Critical mode II strain energy release rate

h

Height of cross-section

I

Moment of inertia

k

Constant

M

Bending moment

Mcr

Bending moment at first cracking

Mu

Ultimate bending moment

My

Bending moment at first yield

P

Load

t

Thickness of fibre-composite

U

Strain energy

u

Displacement

V

Shear force

v

Vertical crack opening displacement

w

Horizontal crack opening displacement

\(\bar y\)

Depth of centroid of the concrete stress block

β1

Constant used to define the depth of the equivalent rectangular stress block

εc

Strain in concrete

εct

Strain at concrete top fibre

εfc

Strain in fibre-composite

εfc*

Initial strain at extreme tensile fibre of concrete

εs

Strain in steel

λ

Constant

ρfc

Area fraction of fibre-composite

ρfcl

Lower limit of fibre-composite

ρfcu

Upper limit of fibre-composite area fraction

ρs

Area fraction of steel reinforcement

ϕ

Curvature

φcr

Curvature at first cracking

φu

Ultimate curvature

φy

Curvature at first yield

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.

Copyright information

© RILEM 1992

Authors and Affiliations

  • T. C. Triantafillou
    • 1
  • N. Plevris
    • 1
  1. 1.Department of Civil EngineeringMassachusetts Institute of TechnologyCambridgeUSA