Stress redistribution in steel reinforced concrete members strengthened with CFRP strips [Elektronische Ressource] / Wael Ibrahim

Tobias Dressen

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2012
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 5 Mo

Extrait

Titelblattmuster 1

Titelblatt der Dissertationsausfertigungen beim Es- D
Stress Redistribution in Steel Reinforced Concrete Members
Strengthened with CFRP Strips









Von der Fakultät für Bauingenieurwesen
der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften
genehmigte Dissertation



vorgelegt von
Wael Ibrahim





Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Josef Hegger
Professor Dr. Alaa Sherif

Tag der mündlichen Prüfung: 23. November 2011


Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar.

Zusammenfassung

Zusammenfassung
Die Verwendung von in Schlitzen eingeklebten Lamellen aus kohlenstofffaserverstärkten
Kunststoffen (CFK) stellt eine vielversprechende Methode zur Verstärkung und
Ertüchtigung von Stahlbetonbauteilen dar. Sowohl hinsichtlich der Biegetragfähigkeit als
auch der Querkrafttragfähigkeit wurde dieses Verfahren bereits erfolgreich eingesetzt.
Bisher wurden verschiedene experimentelle und theoretische Untersuchungen an mit
CFK-Lamellen verstärkten Stahlbetonbauteilen durchgeführt. Der Einfluss des
unterschiedlichen Verbundverhaltens und der Spannungsumlagerung wurde hierbei
jedoch noch nicht ausreichend untersucht. Dies betrifft ebenfalls den Einfluss der
oberflächennahen in Schlitzen eingeklebten CFK-Lamellen auf die Zugversteifung
(tension stiffening) und die Rissbildung.
Im Rahmen des vorliegenden Forschungsvorhabens wurde ein analytisches Modell
entwickelt, das den Einfluss des unterschiedlichen Verbundverhaltens und die
Spannungsumlagerung zwischen Betonstahlbewehrung und CFK-Lamellen
berücksichtigt. Dieses basiert auf einer Spannungsbegrenzung und einer
Rissbreitenüberprüfung unter Gebrauchslasten (SLS). Hierzu wurden einaxiale
zentrische Zugversuche an insgesamt zehn Probekörpern durchgeführt, die sich in drei
Referenzversuche an unverstärkten Stahlbetonbauteilen ohne CFK-Lamellen und sieben
Versuche an Probekörpern mit CFK-Lamellen unterteilen. Hierbei wurde das Verhältnis
der Querschnittsfläche der CFK-Lamellen und Betonstahlbewehrung A /A , der Abstand f s
der nachträglichen ergänzten CFK-Lamellen und die Belastungsart (statisch, zyklisch)
variiert und ihr Einfluss auf die Rissbildung und Spannungsumlagerung untersucht. Das
entwickelte Modell ermöglicht die Spannungsermittlung der Betonstahlbewehrung und
der CFK-Lamellen.

Abstract

Abstract
The use of near-surface mounted (NSM) laminate strips made of carbon fiber-reinforced
polymer (CFRP) is one of the most recent and promising techniques for the repair and
rehabilitation of reinforced concrete (RC) members. This technique has recently proved
its applicability to improve flexural and or shear capacity of structural members.

Several studies on experimental and analytical models of RC members strengthened
with NSM laminate CFRP strips have been conducted. However, the influence of
different bond behavior and the stress redistribution in RC members strengthened with
fibers has not been sufficiently investigated. Also the influence of strengthening with
NSM laminate CFRP strips on the tension stiffening and cracking of reinforced concrete
members has not been sufficiently studied.

In this research an analytical model is proposed that takes into account the influence of
different bond behavior and stress redistribution between steel reinforcement and
laminate CFRP strips on stress limitation and crack control under service loadings (SLS).
Ten uniaxial tensile tests were carried out. Three specimens without laminate strips were
used as reference specimens, while seven specimens were strengthened with laminate
CFRP strips. The influence of the ratio between the CFRP strips cross section Area
(A ) and steel area (A ), the distance between the strips, the cracking and the type CFRP Steel
of load (static or cyclic) on the stress redistribution is studied. Based on the proposed
analytical model it is possible to predict the stress in the steel reinforcement and laminate
CFRP strips.

Acknowledgment

Acknowledgment
The author would like to express his deepest gratitude to his supervisor Prof.
Hegger. In addition to his support and friendship over the past four years, he has
provided the unwavering source of inspiration, determination, and leadership that
was so essential for the successful execution of this study.

I would like to express gratitude to my supervisors Prof. Sherif and Dr. Will for
their help, guidance, patience, and support. Without them, this scientific piece of
work would not be done.

The author would like to thank the technical staff at concrete Laboratory at
institute of structural concrete at RWTH Aachen University, Germany for their help
with the laboratory work. The author is grateful to the support provided by Sika
Co. Deutschland, Stuttgart for donating the FRP materials. In addition, the author
would like gratefully acknowledge the financial support of the Egyptian
Government for his studies at RWTH Aachen University.

I would like to recognize my family‟s contribution to the success of my academic
career. Without the sacrifices and moral support of my parents, it would not have
been possible to pursue this degree.

Finally, the love, patience and support of my wife, my daughter and my son
cannot be praised enough. To them this thesis is dedicated.

Table of Contents

Table of Contents
List of Figures VII
List of Tables XI
Symbols and Units XII
1 Introduction 1
1.1 Brief Overview 1
1.2 Objectives of the Study 2
1.3 Definition of the Problem 3
1.4 Thesis Outline 3
2 Rehabilitation and Strengthening of RC Members with FRP 5
2.1 Introduction 5
2.2 Fiber Reinforced Polymers (FRP) Composites 6
2.2.1 Fibers 6
2.2.2 Matrix 7
2.2.3 Role of Fibers and Resins in FRP 8
2.2.4 Fabrication Process 9
2.2.5 Advantages of FRP 11
2.3 FRP Strengthening Techniques 11
2.3.1 Externally bonded FRP Technique for Flexural Strengthening 12
2.3.1.1 Background 12
2.3.1.2 Failure Modes 14
2.3.2 Near surface mounted FRP Technique for Flexural Strengthening 20
2.3.2.1 Background 21
2.3.2.2 Bond Test Methods 23
2.3.2.3 Failure Modes 24
I

Table of contents
2.3.2.4 Local Bond Strength 27
2.3.3 Shear-Strengthening of Structural Beams 30
2.3.4 FRP Confining of Concrete 30
2.4 Guidelines 32
2.4.1 Japanese Design Guidelines 32
2.4.2 Canadian Design Guidelines 33
2.4.3 European Design Guidelines 34
2.4.4 Guidelines by the American Concrete Institute (ACI) 34
2.4.5 Guidelines by the German Association for Structure Concrete 35
Design Guidelines (DAfStb)
2.5 Summary 36
3 Bond Behavior of Steel Reinforcement 37
3.1 Preface 37
3.2 Description of Bond Behavior 37
3.3 Factors affecting Bond Behavior 41
3.3.1 Structural Characteristics 41
3.3.1.1 General 41
3.3.1.2 Concrete Cover and Bar Spacing 41
3.3.1.3 Development and Splice Length 43
3.3.1.4 Bar Casting Position 44
3.3.1.5 Transverse Reinforcement 45
3.3.2 Bar Properties 45
3.3.2.1 General 45
3.3.2.2 Bar Size 46
3.3.2.3 Bar Geometry 46
II