Numerical analysis of the anchoring with U-jackets of exterior FRP flexural strengthening of beams

Abstract

FRP U-jackets is an important anchorage system for reinforced concrete beams strengthened with fibre-reinforced polymer plates. The external application of FRP (Fiber Reinforced Polymer) strips (plates or laminates) is one of the best options for the flexural strengthening of reinforced concrete beams, for several reasons such as reduced intrusion level and ease of installation. However, from the strength of materials point of view, this type of reinforcement of reinforced concrete beams has two main difficulties associated to (i) the concrete cover lacking bracing to resist the tension stress introduced by the FRP laminates and (ii) the high risk of debonding, namely in the vicinity of cracks in the concrete cover. The application of anchorages to those FRP strips can not only boost the members' deformability, ductility, and strength, but also postpone FRP debonding failure. Considering the fact that the advantages of anchorage solutions of FRP exterior flexural reinforcement are widely accepted among researchers and the industry, it is necessary to further pursue the investigation to establish reliable design formulae for the different anchorage solutions.This dissertation presents a finite element analysis based on several selected mathematical models for the constituent materials of the original structural element and of the additional FRP system and adhesive, which can capture the crack pattern formation and development as well as the FPR debonding in reinforced concrete beams. The result of finite element analysis from Abaqus was validated against laboratory tests of three concrete beams performed by another author. The comparisons of the load-displacement curve and failure mode showed the high consistency in two beams, but the numerical analysis of the third reinforced beam with FRP U-jackets showed a 20% difference when compared with the experiment result. This difference might be due to the difficulty in accurately describing the cohesive behaviour between FRP and concrete in the case of cracked concrete.

No caso de reforço à flexão de vigas de betão armado com laminados de FRP, o encamisamento em U com mantas de FRP é um dos principais sistemas a considerar para a ancoragem (dos laminados longitudinais). A aplicação externa de tiras de FRP (polímero reforçado com fibra) (chapas ou laminados) é uma das melhores opções para o reforço à flexão de vigas de concreto armado, por várias razões, como nível reduzido de intrusão e facilidade de instalação. No entanto, do ponto de vista da resistência dos materiais, esse tipo de reforço de vigas de concreto armado apresenta duas dificuldades principais associadas a (i) cobertura do concreto sem suporte para resistir ao estresse de tensão introduzido pelos laminados FRP e (ii) ao alto risco descolagem, nomeadamente nas proximidades de fissuras na cobertura de betão. A aplicação de ancoragens nessas tiras de FRP pode não apenas aumentar a deformabilidade, ductilidade e resistência dos membros, mas também adiar a falha de descolagem do FRP. Considerando o fato de que as vantagens das soluções de ancoragem do reforço flexural externo de PRF são amplamente aceitas entre os pesquisadores e a indústria, é necessário continuar a investigação para estabelecer fórmulas de design confiáveis ​​para as diferentes soluções de ancoragem.Esta dissertação apresenta uma análise por elementos finitos para a qual foram selecionados modelos específicos para cada um dos materiais constituintes da estrutura original em betão armado e do sistema de reforço com laminados e mantas de FRP. Estes modelos permitem capturar a formação e o desenvolvimentos das fendas no betão bem como o descolamento e a rotura do recobrimento ou da ligação entre os laminados de FRP e a face da viga. Os resultados da análise por elementos finitos com o programa Abaqus foram validados por comparação com os resultados experimentais obtidos por outro autor. A comparação das curvas força-deslocamento e dos modos de colapso numéricas e experimentais mostram uma forte semelhança em duas das vigas, mas na terceira há uma diferença muito significativa de 20 %. Esta diferença parece ser devida à dificuldade em descrever de uma forma suficientemente rigorosa o comportamento coesivo da ligação do laminado de FRP ao substrato de betão, quando este betão se encontra em fase fendilhada.