FRCM composites for strengthening corrosion-damaged structures : experimental and numerical investigations

• Main Author: Elghazy, Mohammed
• Other Authors: El Refai, Ahmed
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Université Laval 2018
• Subjects: TA 7.5 UL 2018; Béton renforcé de fibres; Solides > Mécanismes de renforcement; Béton > Détérioration; Béton armé > Corrosion
• Online Access: http://hdl.handle.net/20.500.11794/29567

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse. === Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.