Identification of the failure modes of CFRP shear-strengthened reinforced concrete beams by the finite element method
Creators
- 1. Universidade Federal do Rio Grande do Sul
- 2. Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul
Description
Abstract The rehabilitation and strengthening of concrete structures using carbon fiber reinforced polymers (CFRP) has become an interesting alternative for a series of important aspects. This material has a low specific weight, high tensile strength, corrosion and fatigue resistance, a high modulus of elasticity, and is a versatile material, with ease and speed in its application. Nevertheless, its consideration and design tend to require more sophisticated analyses to evaluate and predict the behavior of the strengthened structural element. For this reason, numerical methods, such as the Finite Element Method (FEM), can be used in such complex analyses to simulate to a high degree the actual performance of the structure. Thus, this work presents computer simulations of reinforced concrete beams shear strengthened with CFRP through the Finite Element Method in a customized ANSYS model. Special attention is given to the bond behavior between the CFRP sheets and the concrete surface of the beams through contact elements and bilinear cohesive zone models, which allowed for the identification of the debonding failure modes. Twenty-one reinforced concrete beams reported in the literature were simulated: twelve simply supported and nine continuous, with and without CFRP shear strengthening. The beams showed failure modes in shear, bending, concrete splitting, and debonding of the strengthening CFRP sheets. The numerical model developed predicted with good accuracy the beams' behavior in terms of load vs. displacement, load vs. strain, as well as their ultimate loads and failure modes.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الملخص أصبحت إعادة تأهيل وتعزيز الهياكل الخرسانية باستخدام البوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP) بديلاً مثيرًا للاهتمام لسلسلة من الجوانب المهمة. تتميز هذه المادة بوزن نوعي منخفض، وقوة شد عالية، ومقاومة للتآكل والتعب، ومعامل مرونة عالي، وهي مادة متعددة الاستخدامات، مع سهولة وسرعة في تطبيقها. ومع ذلك، فإن دراستها وتصميمها يميلان إلى الحاجة إلى تحليلات أكثر تعقيدًا لتقييم سلوك العنصر الهيكلي المعزز والتنبؤ به. لهذا السبب، يمكن استخدام الطرق العددية، مثل طريقة العناصر المنتهية (FEM)، في مثل هذه التحليلات المعقدة لمحاكاة الأداء الفعلي للهيكل إلى درجة عالية. وبالتالي، يقدم هذا العمل محاكاة حاسوبية لقص عوارض الخرسانة المسلحة المعزز بالبلاستيك المقوى بالبلاستيك المقوى بألياف الكربون المقوى بالبلاستيك من خلال طريقة العناصر المحدودة في نموذج ANSYS المخصص. يتم إيلاء اهتمام خاص لسلوك الترابط بين صفائح البلاستيك المقوى بألياف الكربون والسطح الخرساني للحزم من خلال عناصر التلامس ونماذج المنطقة المتماسكة ثنائية الخط، مما يسمح بتحديد أوضاع فشل إزالة الترابط. تمت محاكاة إحدى وعشرين عارضة خرسانية مسلحة تم الإبلاغ عنها في الأدبيات: اثنتا عشرة عارضة مدعومة ببساطة وتسع عوارض متواصلة، مع وبدون تقوية قص CFRP. أظهرت العوارض أوضاع فشل في القص والانحناء وتقسيم الخرسانة وإزالة الترابط من ألواح البلاستيك المقوى. تنبأ النموذج العددي المطور بدقة جيدة بسلوك الحزم من حيث الحمل مقابل الإزاحة، والحمل مقابل الإجهاد، بالإضافة إلى أحمالها النهائية وأنماط الفشل.Translated Description (French)
Résumé La réhabilitation et le renforcement des structures en béton à l'aide de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sont devenus une alternative intéressante pour une série d'aspects importants. Ce matériau a un faible poids spécifique, une résistance élevée à la traction, une résistance à la corrosion et à la fatigue, un module d'élasticité élevé et est un matériau polyvalent, facile et rapide à appliquer. Néanmoins, sa prise en compte et sa conception ont tendance à nécessiter des analyses plus sophistiquées pour évaluer et prédire le comportement de l'élément structurel renforcé. Pour cette raison, des méthodes numériques, telles que la méthode des éléments finis (FEM), peuvent être utilisées dans des analyses aussi complexes pour simuler à un degré élevé les performances réelles de la structure. Ainsi, ce travail présente des simulations informatiques de cisaillement de poutres en béton armé renforcées avec du CFRP par la méthode des éléments finis dans un modèle ANSYS personnalisé. Une attention particulière est accordée au comportement de liaison entre les feuilles de CFRP et la surface en béton des poutres à travers des éléments de contact et des modèles de zones cohésives bilinéaires, ce qui a permis d'identifier les modes de défaillance de décollage. Vingt et une poutres en béton armé rapportées dans la littérature ont été simulées : douze simplement soutenues et neuf continues, avec et sans renforcement de cisaillement en PRFC. Les poutres ont montré des modes de défaillance dans le cisaillement, la flexion, le fractionnement du béton et le décollement des feuilles de CFRP de renforcement. Le modèle numérique développé a prédit avec une bonne précision le comportement des poutres en termes de charge par rapport au déplacement, de charge par rapport à la déformation, ainsi que leurs charges ultimes et leurs modes de défaillance.Translated Description (Spanish)
Resumen La rehabilitación y fortalecimiento de estructuras de hormigón mediante polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) se ha convertido en una alternativa interesante para una serie de aspectos importantes. Este material tiene un bajo peso específico, alta resistencia a la tracción, resistencia a la corrosión y a la fatiga, un alto módulo de elasticidad, y es un material versátil, con facilidad y rapidez en su aplicación. Sin embargo, su consideración y diseño tienden a requerir análisis más sofisticados para evaluar y predecir el comportamiento del elemento estructural fortalecido. Por esta razón, se pueden utilizar métodos numéricos, como el Método de Elementos Finitos (FEM), en análisis tan complejos para simular en alto grado el rendimiento real de la estructura. Así, este trabajo presenta simulaciones por ordenador de vigas de hormigón armado cizalladas con CFRP a través del Método de Elementos Finitos en un modelo ANSYS personalizado. Se presta especial atención al comportamiento de la unión entre las láminas de CFRP y la superficie de hormigón de las vigas a través de elementos de contacto y modelos de zona cohesiva bilineal, lo que permitió la identificación de los modos de falla de desunión. Se simularon veintiuna vigas de concreto armado reportadas en la literatura: doce simplemente soportadas y nueve continuas, con y sin cizallamiento CFRP. Las vigas mostraron modos de falla en cizallamiento, flexión, división de concreto y desunión de las láminas de CFRP de refuerzo. El modelo numérico desarrollado predijo con buena precisión el comportamiento de las vigas en términos de carga vs. desplazamiento, carga vs. deformación, así como sus cargas finales y modos de falla.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تحديد أوضاع فشل عوارض الخرسانة المسلحة المقواة بالقص المصنوعة من البلاستيك المقوى بأسلوب العناصر المحدودة
- Translated title (French)
- Identification des modes de défaillance des poutres en béton armé renforcé par cisaillement en PRFC par la méthode des éléments finis
- Translated title (Spanish)
- Identificación de los modos de falla de las vigas de hormigón armado reforzado con cizalladura de CFRP por el método de elementos finitos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4381835460
- DOI
- 10.1590/s1983-41952023000300004
References
- https://openalex.org/W1964825508
- https://openalex.org/W2120360133
- https://openalex.org/W2154070209
- https://openalex.org/W2167338862
- https://openalex.org/W2646258085
- https://openalex.org/W2957228529
- https://openalex.org/W2980073991
- https://openalex.org/W3169429250
- https://openalex.org/W4211045301
- https://openalex.org/W620644140