Prestressed carbon fibre laminates applied according to near surface mounted technique to increase the flexural resistance of reinforced concrete beams

Tese de doutoramento em Engenharia CivilA new technique for the flexural strengthening of reinforced concrete (RC) beams is investigated in this work, which consists of bonding prestressed carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates into slits open on the concrete cover (near surface mounted technique - NSM). According to the conducted literature review, prestressed FRP systems for the flexural strengthening of RC elements have already been applied successfully using the externally bonded reinforcing technique (EBR). In the context of prestressed EBR, significant improvements are reported in RC elements in service conditions, such as increase of the load carrying capacity, durability and structural integrity. The NSM technique is, however, more effective for the flexural strengthening of RC elements than EBR. Therefore, the research carried out aims to combine the intrinsic benefits of using NSM-CFRP with those derived from the application of prestressed EBR-CFRP. In this scope, the conducted research has covered a variety of topics, considered to be the most relevant to allow a thorough analysis of the effectiveness of this technique. As the literature review suggests that the long-term effects of prestressing RC elements can be negatively influenced by the compliance of the used adhesive, an experimental program was carried out to determine the long term behaviour of the epoxy-based adhesive adopted in the strengthening operations. In the course of this work, three series of RC beams flexurally strengthened in flexure with NSM-CFRP laminates were produced, monitored and tested up to failure, and the obtained results are herein presented and discussed. All prestressed RC beams were monitored during prestress release, as well as for approximately 40 days after prestress transfer, to assess the evolution of the strain loss along the CFRP laminate. The results showed that the greatest losses of prestress are located near the free-ends of the laminate, while in the central zone of the RC beams the prestress load was preserved over time. Finally, all the RC beams were tested up to failure, and showed that the prestressed NSM-CFRPs are not capable of increasing the ultimate load carrying capacity of the RC beams (in relation to non-prestressed NSM-CFRPs), but significant benefits in terms of service load carrying capacity were obtained. Despite the observed benefits, the application of prestress resulted in a significant loss of ductility of the RC beam. After the concluding of all the experimental tests, all stages of the prestressing process were modelled numerically, and in all cases a high level of agreement with the experimental results was observed. Based on these results, as well as in the physical concepts behind the numerical formulations, an analytical approach is proposed to assess both the evolution of the CFRP strain profile over time, as well as the load-deflection relationship of the strengthened RC beams.Uma nova técnica para o reforço à flexão de vigas de betão armado (BA), que consiste na aplicação de laminados de carbono (CFRP na nomenclatura inglesa) pré-esforçados colados em entalhes abertos no betão de recobrimento (NSM na nomenclatura inglesa), foi investigada neste trabalho. De acordo com a revisão da bibliográfica efetuada, os sistemas de FRP pré-esforçados já foram aplicados com sucesso usando a técnica de colagem externa (EBR na nomenclatura inglesa). No contexto do EBR pré-esforçado, melhorias significativas em elementos de BA sob condições de serviço são relatadas, tais como aumento da capacidade de carga, da durabilidade e da integridade estrutural. A técnica NSM é, no entanto, mais eficaz para o reforço à flexão de elementos de BA que a técnica EBR. Sendo assim, a investigação levada a cabo tem o intuito de combinar os benefícios intrínsecos da utilização de CFRP-NSM com os decorrentes da aplicação de CFRP-EBR pré-esforçado. Neste âmbito, a investigação realizada abrange uma variedade de tópicos, considerados os mais relevantes para permitir uma análise aprofundada da eficácia desta técnica. Como a revisão da literatura sugere que os efeitos a longo prazo dos elementos de BA pré-esforçados com FRP podem ser influenciados negativamente pela deformabilidade ao longo do tempo do adesivo utilizado, foi realizado um programa experimental para determinar o comportamento diferido do adesivo epóxido usado nas operações de reforço. No decorrer deste trabalho, três séries de vigas de BA reforçadas com laminados de CFRP-NSM pré-esforçados foram produzidas, monitorizadas e testadas até à rotura, e os resultados obtidos são aqui apresentados e discutidos. Todas as vigas de BA pré-esforçadas foram monitorizadas durante a libertação do pré-esforco, bem como durante cerca de 40 dias após transferência do pré-esforço, para avaliar a evolução da perda de extensão ao longo do laminado de CFRP. Os resultados mostraram que as maiores perdas de pré-esforço estão localizadas perto das extremidades livres do laminado, enquanto na zona central das vigas de BA a tensão de pré-esforço foi preservada ao longo do tempo. Finalmente, todas as vigas de BA foram testadas até à rotura, mostrando que os laminados CFRP-NSM pré-esforçados não são capazes de aumentar capacidade resistente última das vigas de BA (em relação aos laminados CFRP-NSM passivos), mas benefícios significativos foram obtidos em termos de resistência em condições de serviço. Apesar dos benefícios observados, a aplicação de pré-esforço resultou numa perda significativa de ductilidade da viga de BA. Após a conclusão de todos os ensaios experimentais, todas as etapas do processo de pré-esforço foram modeladas numericamente e em todos os casos foi observado um elevado grau de concordância com os resultados experimentais. Com base nestes resultados, bem como nos conceitos físicos subjacentes às formulações numéricas, é proposta uma abordagem de cálculo analítica para avaliar tanto a evolução do perfil de extensões no CFRP ao longo do tempo, bem como a relação força-flecha das vigas de betão armado reforçadas segundo a técnica desenvolvida no presente trabalho.Portuguese Foundation for the Science and Technology (FCT), grant number SFRH/BD/61756/200