SUPERVISOR
Davood Mostofinejad
داود مستوفی نژاد (استاد راهنما)
STUDENT
Bahareh Nader Tehrani
بهاره نادرطهرانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی عمران
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Flexural strengthening of RC beams using prestressed EBROG CFRP plates
The application of fiber-reinforced polymer (FRP) materials for structural strengthening of concrete members increased due to their superior properties. Among different FRP strengthening systems, externally bonded reinforcement (EBR) technique is the most common method to strengthen reinforced concrete structures. In recent years, externally bonded reinforcement on grooves (EBROG) has been proposed as an alternative to conventional methods which is more efficient compared to EBR method. Strength efficiency of FRP plates/sheets in nonprestreed strengthened beams can be as low as 10% due to occurrence of debonding phenomenon which can increase the strengthening costs considerably. Furthermore, by strengthening a beam with unstressed laminates, FRP materials can only bear the additive loads and they are not efficient in carrying the existing loads that are a large portion of total loads in a member. Finally, by FRP strengthening, the stiffness enhancement is relatively small, so the serviceability of RC beams is not greatly affected by FRP repair. Better utilization of FRP material can be obtained by prestressing. Because by prestressing, not only premature debonding failure can be overcome, but also the materials contribute to the load carrying capacity under both service and ultimate conditions. Using prestressing thechnique also brings more advantages for strengthening a beam including better distribution of the cracks and decrease in crack width, unloading of the internal reinforcing steel. In this study, the flexural behavior of reinforced concrete (RC) beams strengthened with prestressed externally bonded reinforcement on grooves (EBROG) carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) plates was investigated both experimentally and analytically. A four point loading test was performed on 7 RC beams with cross-sections of 200×300 mm and length of 2600 mm. One beam reserved as reference and the others were strengthened with FRP. The effect of different parameters included the prestress level, using anchorages and the strengthening technique were investigated. The experimental results indicate that prestressed technique can be used to postpone the debonding and increase the strength efficiency of FRP plates. The results also showed that the cracking load and flexural stiffness of the prestressed beams were significantly increased. In addition, the maximum enhancement in ultimate load-carrying capacity of prestressed strengthened beams compared to the non-prestressed beam was 20%. It is also concluded that the prestressed CFRP strengthening method reduce deflections and crack width. Whereas expensive mechanical anchorages are needed for transferring the prestressing stresses to the beam in EBR method, the results indicated that the EBROG method can transfer the prestressing stresses to the beam without any end anchorage which can reduce the strengthening costs significantly. In the specimens strengthened with EBROG method, the flexural behaviors included the load carrying capacity, ductility and the debonding strain of CFRP plate enhance by 18, 53 and 36 % compared to EBR method, respectively. Keywords: Flexural strengthening, prestressed.
در دهههای اخیر، استفاده از الیاف پلیمری مسلح شده (FRP)، جهت تقویت اعضای بتن آرمه، به دلیل خصوصیات منحصر به فرد آن افزایش یافته است. روشهای مختلفی برای نصب ورقهای FRP به بتن وجود دارد که روش نصب سطحی (EBR) از متداولترین آنها میباشد. در سالهای اخیر روشی تحت عنوان نصب خارجی بر روی شیار (EBROG) ابداع شده است که کارایی بهتری نسبت به روش نصب سطحی دارد. کارایی سیستم مقاوم سازی در تیرهای بتن آرمه تقویت شده به صورت غیر پیش تنیده، به دلیل وقوع پدیدهی جدا شدگی میتواند به 10 درصد محدود شود و هزینههای پروژهی مقاوم سازی را به صورت قابل ملاحظهای افزایش دهد. علاوه بر این در تیر تقویت شده به صورت غیر پیش تنیده، مصالح FRP تنها بارهای اضافه شونده را تحمل کرده و در تحمل بارهای موجود که قسمت زیادی از کل بار موجود را تشکیل میدهند، موثر نیستند. در نهایت در تیر تقویت شده با FRP غیر پیش تنیده، افزایش سختی ناچیز بوده و وضعیت بهره برداری تیر بتن آرمه تغییر قابل توجهی نخواهد داشت. با استفاده از تکنیک پیش تنیدگی، میتوان از مصالح FRP استفادهی موثرتری نمود. به دلیل این که با پیش تنیدگی نه تنها میتوان بر مشکل جدا شدگی زود رس غلبه نمود، بلکه در حالت پیش تنیدگی، مصالح FRP در هر دو وضعیت بهره برداری و نهایی در باربری مشارکت میکنند. هم چنین استفاده از تکنیک پیش تنیدگی مزایای دیگری را برای سیستم مقاوم سازی ایجاد میکند که شامل توزیع بهتر ترکها، کاهش عرض ترک و باربرداری از میلگردهای طولی میباشد. در تحقیق حاضر، رفتار خمشی تیرهای بتن آرمهی تقویت شده با استفاده از ورقهای CFRP پیش تنیده به روش نصب بر روی شیار به صورت آزمایشگاهی و تئوری بررسی شد. به این منظور 7 عدد تیر بتن آرمه به ابعاد 200×300 میلی متر و طول 2600 میلی متر تحت آزمایش خمش چهار نقطهای قرار گرفتند. یک تیر به عنوان نمونهی مبنا و سایر تیرها با FRP تقویت شده بودند. تأثیر پارامترهای مختلف شامل درصد پیش تنیدگی، استفاده از مهار انتهایی و روش نصب ورق FRP، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج آزمایشگاهی نشان داد که استفاده از تکنیک پیش تنیدگی میتواند جدا شدگی ورق FRP را به تعویق انداخته و سبب افزایش کارایی ورقهای CFRP شود. همچنین نتایج نشان داد که بار ترک خوردگی و سختی خمشی تیرهای پیش تنیده به طور قابل ملاحظهای نسبت به حالت غیر پیش تنیده افزایش یافت. علاوه بر این بیشترین افزایش ظرفیت نهایی تیرهای تقویت شده به روش پیش تنیده نسبت به تیر تقویت شده به صورت غیر پیش تنیده، 20 درصد بوده است. هم چنین نتایج نشان داد که استفاده از تکنیک پیش تنیدگی میتواند خیز تیر و عرض ترکها را به طور قابل ملاحظهای کاهش دهد. در حالی که در روش EBR، برای انتقال تنشهای پیش تنیدگی به تیر معمولا مهارهای گران قیمت استفاده میشود، نتایج نشان داد که روش EBROG میتواند تنشهای بسیار بالای پیش تنیدگی را بدون مهار به تیر انتقال دهد؛ که این سبب میشود هزینههای پیش تنیدگی به شدت کاهش یابد. در بین نمونههای تقویت شده به روش EBROG، رفتارهای خمشی شامل ظرفیت باربری، شکل پذیری و کرنش جدا شدگی به میزان 18، 53 و 36 درصد نسبت به نمونهی تقویت شده به روش EBR افزایش یافت. کلمات کلیدی: مقاوم سازی خمشی، پیش تنیده.