Structural performance of FRP-concrete hybrid beams with flexible shear connection

Abstract

La sostenibilidad de los edificios y de las infraestructuras públicas es un tema de importancia reciente puesto en discusión por la comunidad de ingeniería. La necesidad de diseñar estructuras con bajos requerimientos de mantenimiento y durabilidad a largo plazo puede ser resuelta mediante la introducción de nuevos materiales de construcción o la implementación de sistemas estructurales innovadores. En este sentido, los polímeros reforzados con fibras (FRP) representan una de las soluciones en el campo de la ingeniería civil que ofrecen resultados prometedores. Para optimizar el uso de secciones de FRP los investigadores han propuesto la creación de sistemas híbridos donde se combinan materiales compuestos con materiales convencionales, tales como el hormigón. Las soluciones híbridas mejoran la rigidez, la ductilidad y la resistencia a pandeo de los elementos aislados de material compuesto. Debido a la novedad y a la variedad de soluciones híbridas, la tecnología requiere de la realización de más ensayos experimentales para valorar su viabilidad. Además, en la actualidad hay una falta de códigos prescriptores y normas que ayuden al diseño de estructuras construidas con perfiles compuestos y, por consiguiente, los elementos mixtos requieren del desarrollo de modelos predictivos fiables. Por lo tanto, la presente investigación tiene como objetivo estudiar el comportamiento estructural de vigas híbridas hechas de perfiles pultrusionados de FRP unidos a losas de hormigón, mediante la realización de una investigación experimental, analítica y numérica. Puesto que los efectos de deslizamiento en la interfaz han sido mayoritariamente ignorados en el pasado, la tesis se centra también en la influencia de la flexibilidad de la conexión sobre el comportamiento de flexión. Con respecto a la campaña experimental, se han fabricado y ensayado a flexión ocho vigas de perfiles de FRP de fibra de vidrio (GFRP) y hormigón, con conectores mecánicos en el rasante. También se ha comparado su comportamiento con respecto a vigas de hormigón armado equivalentes y perfiles estructurales individuales de GFRP. Previamente a dichos ensayos, se propuso un procedimiento eficaz de caracterización no destructiva para la obtención de las propiedades elásticas de los materiales que componían los especímenes, mediante el uso de un análisis de la respuesta a la vibración libre. En general, los ensayos de flexión han demostrado la alta eficiencia estructural de la solución de viga híbrida y han subrayado la importancia de tener en cuenta la flexibilidad de conexión del rasante. También se ha desarrollado un procedimiento analítico para el diseño de vigas mixtas de FRP-hormigón bajo cargas a corto plazo. Se han propuesto ecuaciones de diseño para los estados límite de servicio y último en función de la interacción completa o parcial del rasante. Además, se ha analizado la viabilidad de utilizar fórmulas aproximadas para cuantificar los efectos del deslizamiento entre capas y su repercusión en la evaluación de los desplazamientos, la rigidez a flexión, la capacidad de flexión y las distribuciones de tensiones. Debido a la mejora de la precisión de las expresiones que representan la flexibilidad de la conexión del rasante, el procedimiento analítico propuesto ha sido capaz de capturar de manera adecuada el comportamiento estructural. Por último, en referencia a los análisis numéricos, se han desarrollado modelos de elementos finitos capaces de simular el comportamiento fundamental de vigas híbridas con conectores tipo perno. El modelo que representó las no linealidades en el material, en los contactos y en la geometría fue el que ofreció los mejores resultados en comparación con los datos experimentales y las estimaciones analíticas. El aplastamiento del hormigón en la losa y su fisuración, los efectos de rigidización post fisuración, la fricción de la interfaz y el comportamiento elasto-plástico de los conectores fueron tomados en consideración.

Sustainability of buildings and public infrastructure is a relatively recent topic put into discussion by the engineering community. A solution to designing structures that have long-term durability and low maintenance requirements is to introduce new construction materials or to implement new structural systems. In this regard, fiber reinforced polymers (FRP) represent one of the novel solutions in the civil engineering field that offer promising results. To optimize the use of FRP shapes, researchers have proposed to form hybrid structural systems by combining the composite materials with conventional materials, such as concrete, in order to improve on the stiffness, ductility, and buckling resistance of single FRP members. However, due to the novelty and wide variety of hybrid elements, the technology demands further experimental testing to prove its viability. In addition, because there is a current lack of mandatory codes for the design of structures built with composite profiles and consequently FRP-concrete members, reliable predictive models have to be developed. Addressing the above-mentioned issues is essential in lessening the introduction of advanced composite materials in common types of public works and constructions. The present research aimed thus to study the structural performance of hybrid beams made of FRP pultruded profiles attached to concrete slabs by carrying an experimental, analytical, and numerical investigation. Since interface slip effects had been largely overlooked in the past, the thesis focused also on the influence of the connection flexibility over bending behavior. With respect to the developed experimental campaign, eight glass FRP-concrete hybrid beams with mechanical shear connectors were fabricated and their flexural behavior was assessed against that of equivalent reinforced concrete beams and single GFRP structural profiles. The variables of the research were the type of hybrid cross-section and the concrete strength class. The laboratory campaign was divided in two phases depending on the specific test setup configuration, and observations were made regarding the short-term behavior of the novel elements under positive bending moments. Previous to the experimental tests, a nondestructive characterization procedure was proposed for obtaining the elastic properties of the constitutive materials of hybrid members in a reduced amount of time, by using an analysis of the free vibration response. Overall, the bending tests have demonstrated the high structural efficiency of the hybrid beam solution and have underlined the importance of accounting for shear connection deformability. An analytical procedure was introduced for the design of FRP-concrete beams under short-term loading. Design equations for the serviceability and ultimate limit states were proposed in function of complete or partial shear interaction assumptions. The feasibility of using simplified formulas to quantify for interlayer slip effects was studied in evaluating deflections, flexural stiffness, bending capacities, normal and shear stress distributions. Due to the improved precision of the expressions that had considered the shear connection flexibility, the proposed analytical procedure was able to capture appropriately the structural behavior and performance of the specimens. Finally, referring to the numerical analyses, predictive finite element models capable of simulating the fundamental behavior of FRP-concrete beams with bolted joints were developed. The model that included material, contact, and geometry nonlinearities offered the best results in comparison with the experimental data and analytical estimations. Concrete slab crushing and cracking, tension stiffening effects, interface friction, and the elasto-plastic behavior of the shear connectors were all taken under consideration.