Étude de la résistance en flexion et du comportement en service d'éléments circulaires en béton armé de barres et de spirales de PRF

Abstract: Circular reinforced concrete (RC) members are widely used in infrastructure systems, such as bridge piers and piles, contiguous pile walls, and fender piles in marine structures. This is due to the simplicity of construction and because their strength characteristics under lateral loads are similar in all directions. Such members are usually exposed to aggressive environments that corrode the steel reinforcement. The result is structure deterioration, leading to costly repairs and rehabilitation. The use of fiber-reinforced polymer (FRP) as alternative reinforcing bars in RC structures has emerged as an alternative solution to overcoming the corrosion problem. In this research study, an experimental program was designed to investigate the flexural behavior and serviceability of concrete members with circular section and reinforced with FRP bars and spirals. A total of nine large-scale specimens with a total length of 6,000 mm and 500 mm in diameter were constructed and tested under four-point bending. The test parameters included the longitudinal-reinforcement ratio and the longitudinal-reinforcement type, including glass FRP (GFRP), carbon FRP (CFRP), basalt FRP (BFRP), and steel bars. The experimental results are reported in terms of moment–deflection behavior, flexural capacity, mode of failure, crack patterns, crack spacing, and crack widths. An analytical strain-compatibility model capable of predicting the flexural strength of circular FRP-RC members, including the sequential progressive failure, was developed and verified with the experimental results. Moreover, a simplified method, including design equations and design chart is presented using non-iterative analysis. This method accurately and simply predicted the flexural capacity and can be considered a simple and more straightforward for practicing engineers. In addition, the developed finite element model predicted the response of tested specimens with a reasonable degree of accuracy and was used to extend the range of investigated parameters. Crack-control models in the current FRP codes and design guidelines are reexamined, extended, and applied to circular FRP-RC members. The comparison with the experimental results indicates that the crack-control formulae developed from rectangular FRP-RC members are intended to allow for the cracking control of circular FRP-RC members by using the redefined parameters developed and proposed in this study. Finally, the measured deflections and experimental values of the effective moment of inertia (Ie) were analyzed and compared with those predicted using available models. The ACI 440.1R-15 model is found to overestimate the effective moment of inertia at service load level, and an appropriate modification is presented based on the results of the tested circular specimens. Moreover, an analytical model has been developed by using a layer-by-layer approach to predict the load-deflection relationship of circular FRP-RC members. The model predictions were in a good agreement with the experimental results.Les éléments circulaires en béton armé (BA) sont largement utilisés dans les structures comme les piliers et pieux de ponts, les parois berlinoises et les colonnes de soutien pour les structures marines. L’utilisation bien répandue de ce type d’éléments est principalement due à leur simplicité de mise en place, leur résistance caractéristique et la résistance similaire en flexion dans toutes les directions. Ces éléments sont souvent exposés à des environnements agressifs, ce qui accélère la corrosion des barres en acier. Il en résulte des structures qui se détériorent plus rapidement menant à des coûts importants de réparation et de réhabilitation. L’utilisation des polymères renforcés de fibres (PRF) est une alternative intéressante de renforcement des structures en BA afin de contrer les problèmes liés à la corrosion de l’armature. Dans cette étude, un programme expérimental a été conçu pour étudier le comportement en flexion, à l’ultime et en service, des éléments en béton ayant une section circulaire et renforcés avec des barres et des spirales en PRF. Pour ce faire, neuf spécimens de grande taille, soit d'une longueur totale de 6 000 mm et d'un diamètre de 500 mm, ont été construits et testés en flexion en quatre points. Les paramètres d'essai comprenaient le ratio et le type de renforcement longitudinal, y compris le PRF de verre (PRFV), le PRF de carbone (PRFC), le PRF de basalte (PRFB) et les barres d'acier. Les résultats expérimentaux comprennent le comportement moment-déformation, la résistance en flexion, le mode de rupture, le patron de fissuration, l’espacement des fissures et la largeur des fissures. Un modèle analytique basé sur la compatibilité des déformations, capable de prédire la résistance en flexion des éléments circulaires en BA-PRF et incluant le mode de rupture progressif, a été développé et validé avec les résultats expérimentaux. De plus, une méthode simplifiée, non itérative, comprenant des équations et un graphique pour la conception est présentée. Cette méthode prédit précisément et simplement la capacité en flexion et est considérée comme une méthode suffisamment simple pour être utilisée par les ingénieurs de la pratique. En outre, le modèle développé par éléments finis a prédit la réponse des échantillons testés avec un degré de précision raisonnable et a été utilisé pour étendre la gamme des paramètres étudiés. Les modèles de contrôle de fissure dans les codes sur PRF et les directives actuelles de conception sont réexaminés, étendus et appliqués aux éléments circulaires de BA-PRF. La comparaison avec les résultats expérimentaux indique que les équations permettant de limiter la fissuration, développées à partir des éléments rectangulaires en BA-PRF, peuvent être utilisées pour contrôler la fissuration des éléments circulaires en BA-PRF en utilisant les paramètres redéfinis proposés dans cette étude. Finalement, les déplacements mesurés et les valeurs expérimentales du moment d'inertie effectif (Ie) ont été analysés et comparés aux valeurs prédites en utilisant les modèles disponibles dans les normes. Le modèle de l’ACI 440.1R-15 surestime le moment d'inertie effectif au niveau de la charge de service. Afin de pallier cet écart, une modification est présentée sur la base des résultats des essais sur les éléments circulaires. De plus, un modèle analytique a été développé en utilisant une approche couche par couche pour prédire la relation charge-déformation des éléments circulaires en BA-PRF. Finalement, les prédictions effectuées par ce modèle sont en accord avec les résultats expérimentaux