1,720,992 research outputs found
Comportement en flexion de tubes en PRF rectangulaires entièrement ou partiellement remplis de béton armé
Get PDFLes matériaux composites en polymère renforcé de fibres (PRF) ont récemment été utilisés dans le domaine des constructions de génie civil, en particulier dans les environnements corrosifs. Elles peuvent être utilisées comme une armature interne pour des poutres, dalles et les trottoirs, ou comme une armature externe pour la réhabilitation et le renforcement de différentes structures. L'une de leurs applications novatrices est les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de béton (TPFRB ) qui sont en train de devenir une alternative pour divers éléments structuraux tels que les pieux, les colonnes, les poutres et les piliers de ponts en raison de leur haute performance et durabilité. Dans de tels systèmes intégrés, les tubes PRF agissent comme un coffrage permanent, une chemise protectrice pour le béton et l'acier encastrés, et comme une armature externe dans les directions longitudinale et transversale de l'élément structural. La recherche a été concentrée sur les TPRFB comme des colonnes, mais très peu de recherche a été effectué les TPRFB comme des poutres particulièrement celles à section rectangulaire. La section circulaire présente une efficacité de confinement efficace en cas de colonnes. Toutefois, la section rectangulaire a un moment d'inertie plus élevé et une rigidité flexionnelle plus efficace pour résister les charges appliquées et les déformations dans le cas des poutres. Par ailleurs, les travaux de construction et les exigences architecturales préfèrent la section rectangulaire des poutres, plutôt que les poutres circulaires, en raison de sa stabilité pendant l'installation et sa maniabilité lors de la connexion à d'autres membres structuraux comme les dalles et les colonnes. En outre, les poutres TPRFB qui sont complètement remplis de béton ne sont pas optimales pour les applications contrôlées par la flexion pure, puisque le béton fissuré en dessous de l'axe neutre ne contribue pas à la résistance et augmente le poids propre et les coûts de transport et d'installation. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur le comportement en flexion de poutres rectangulaires (TPRFB) en béton armé. Ces poutres rectangulaires tubulaires hybrides en PRF-béton-acier sont composées de tubes rectangulaires externes fabriquées par enroulement filamentaire. Ces tubes fournissent un renforcement de flexion et de cisaillement; et protègent le béton armé contre la corrosion. Les poutres peuvent être soient entièrement ou partiellement remplies de béton. Des tubes intérieurs ( de section circulaires ou carrés) en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont positionnés dans la zone tendue de la poutre afin de réduire le poids et d’éliminer le béton fissuré en traction. Pour augmenter l'action composite de la section hybride, les surfaces des tubes adjacents au béton ont été rendues rugueuses par enrobage de sable. Plusieurs variables ont été choisis pour étudier l'effet de l’épaisseur des tubes extérieurs et intérieurs, les laminés de fibres, et la forme sur le comportement en flexion de ces poutres hybrides (TPRFB). Pour atteindre les objectifs de l’étude, vingt-quatre échantillons de poutre pleine grandeur, ayant une longueur de 3200 mm et une section transversale de 305×406 mm2, ont été testés sous une flexion à quatre points. Ces échantillons comprennent huit poutres de TPRFB entièrement remplis avec une large gamme d'épaisseur du tube externe de 3.4 mm à 14.2 mm, quatorze poutres de TPRFB partiellement remplis avec différentes configurations de tubes extérieurs et intérieurs, et deux poutres en béton armé conventionnel, comme échantillons de référence. Les résultats indiquent une performance exceptionnelle des poutres rectangulaires de TPRFB entièrement et partiellement remplies en termes du rapport de la résistance sur la masse et de la ductilité par rapport aux poutres en béton armé conventionnel. Les poutres de TPRFB entièrement remplies avec un tube de petite épaisseur ont rompu de façon moins ductile en tension par rupture axiale des fibres. Les poutres de TPRFB entièrement remplies et ayant une grande épaisseur ont rompu de façon ductile en compression par flambage local vers l’extérieur des parois en compression du tube externe. Les résultats indiquent également que la résistance à la flexion des poutres de TPRFB entièrement remplies augmente d’une façon non linéaire avec l'augmentation de l'épaisseur des tubes jusqu'à une certaine limite optimale. Cette limite a été évaluée pour définir les sections TPRFB sous-armées et surarmées et, par conséquent, pour définir la rupture en tension et en compression des poutres de TPRFB entièrement remplies, respectivement. Les tubes creux intérieurs agissent positivement dans le renforcement des poutres de TPRFB partiellement remplies et en confinant le noyau de béton du côté en compression. En général, les poutres de TPRFB partiellement remplies ont rompu en compression par flambage local vers l'extérieur des parois en compression du tube externe. Les vides circulaires intérieurs ont montré une meilleure performance que les vides carrés intérieurs, bien qu’ils aient la même superficie de la section transversale et le même taux de PRF. Une analyse théorique basée sur la compatibilité des déformations d’une section en flexion a été développée pour prédire la réponse moment-courbure de la poutre TPRFB en tenant compte des pourcentages de confinement externe et interne. Les résultats analytiques et les résultats expérimentaux s’accordent en termes de moment, flèche, déformations, et positions de l'axe neutre. En outre, une étude analytique a été menée afin d'examiner la validité des codes de conception nord-américains pour prédire la réponse en flexion des poutres TPRFB. En se basant sur les résultats de ces études, de nouvelles équations ont été proposées pour mieux prédire le moment effectif d'inertie de la section et une nouvelle procédure de conception pour prédire les capacités ultimes. Ces équations considèrent l'effet de la résistance des tubes en PRFV externe et interne que le taux d’armature en acier. En outre, ils prédisent bien la flèche dans les phases avant et après la limite élastique des poutres rectangulaires hybrides à haute performance.Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have been used in the field of civil engineering constructions especially in corrosive environments. They can be used as internal reinforcement for beams, slabs, and pavements, or as external reinforcement for rehabilitation and strengthening different structures. One of their innovative applications is the concrete-filled FRP tubes (CFFTs) which are becoming an alternative for different structural members such as piles, columns, bridge girders, and bridge piers due to their high performance and durability. In such integrated systems, the FRP tubes act as stay-in-place forms, protective jackets for the embedded concrete and steel, and as external reinforcement in the primary and secondary direction of the structural member. Extensive research was developed on CFFTs as columns, but comparatively limited research was carried out on CFFTs as beams especially those with rectangular sections. The circular sections exhibit magnificent confinement efficiency in case of columns. However, the rectangular sections have higher moment of inertia and flexural stiffness to resist the applied loads and deformations in case of beams. Moreover, the construction and architectural requirements prefer the rectangular section of beams, rather than the circular beams, due to its stability during installation and its workability during connecting to other structural members like slabs and columns. Also, CFFTs that are completely filled with concrete are not optimal for applications governed by pure bending, because the excess weight of the cracked concrete below the neutral axis may increase the transportation and installation cost. This dissertation presents experimental and theoretical investigations on the flexural behaviour of rectangular CFFT beams with steel rebar. These hybrid FRP-concrete-steel tubular rectangular beams contain outer rectangular filament-wound glass-FRP (GFRP) tubes to increase the sectional moment of inertia, to provide flexural and shear reinforcement, and to protect the inner structural elements (concrete and steel) against corrosion. The outer tubes were fully-or-partially filled with concrete and were reinforced with steel rebar at the tension side only. Inner hollow circular or square filament-wound GFRP tubes, shifted toward the tension zone, were provided inside the CFFT beam to eliminate the excess weight of the cracked concrete at the tension side, to confine actively the concrete at the compression side and to act as reinforcement at the tension side. The surfaces of tubes adjacent to concrete were roughened by sand coating to fulfill the full composite action of such hybrid section. Several test variables were chosen to investigate the effect of the outer and inner tubes thickness, fibers laminates, and shape on the flexural behaviour of such hybrid CFFT beams. To fulfil the objectives of the study, twenty-four full-scale beam specimens, 3200 mm long and 305×406 mm2 cross section, were tested under a four-point bending load. These specimens include eight fully-CFFT beams with wide range of tube thickness of 3.4 mm to 14.2 mm, fourteen partially-CFFT beams with different outer and inner tubes configurations, and two conventional steel-reinforced concrete (RC) beams as control specimens. The results indicate outstanding performance of the rectangular fully and partially-CFFT beams in terms of strength-to-weight ratio and ductility compared to the RC beams. The fully-CFFT beams with small tube thickness failed in tension by axial rupture of fibers at the tension side. While, the fully-CFFT beams with big tube thickness failed in compression by outward buckling of the outer tube compression flange with warning signs. The results indicate also that the flexural strength of the fully-CFFT beams was ascending nonlinearly with increasing the tubes thickness until a certain optimum limit. This limit was evaluated to define under-and-over-reinforced CFFT sections, and consequently to define the tension and compression failure of fully-CFFT beams, respectively. The inner hollow tubes act positively in reinforcing the partially-CFFT beams and confining the concrete core at the compression side. The strength-to-weight ratio of the partially-CFFT beams attained higher values than that of the corresponding fully-CFFT beams. Generally, the partially-CFFT beams failed gradually in compression due to outward buckling of the outer tube compression flange with signs of confining the concrete core at the compression side. The inner circular voids pronounced better performance than the square inner voids, however they have the same cross sectional area and fiber laminates. Theoretical section analysis based on strain compatibility/equilibrium has been developed to predict the moment-curvature response of the fully-CFFT section addressing the confinement and tension stiffening of concrete. The analytical results match well the experimental results in terms of moment, deflection, strains, and neutral axis responses. In addition, analytical investigation was conducted to examine the validity of the North American design codes provisions for predicting the deflection response of fully and partially-CFFT beams. Based on these investigations, a new power and assumptions were proposed to Branson’s equation to predict well the effective moment of inertia of the CFFT section. These assumptions consider the effect of the GFRP tube strength, thickness and configuration, in addition to the steel reinforcement ratio. The proposed equations predict well the deflection in the pre-yielding and post-yielding stages of the hybrid FRP-concrete-steel CFFT rectangular beams
Étude et optimisation des opérations de mise en forme courbée de conduits en matériaux composites thermodurcissables
Get PDFCette recherche s’attarde à comprendre l’effet des différents paramètres sur la mise en forme courbée de conduits en matériaux composites thermodurcissables pour y déterminer les meilleurs paramètres à utiliser dans le but de réduire les bris et de conserver le plus possible la forme ainsi créée. Parmi ceux-ci, il est question des paramètres de fabrications du conduit, de sa polymérisation, de son réchauffement avant la mise en forme courbée et de sa mise en forme elle-même. Pour comprendre l’effet des différents paramètres, des tests mécaniques (traction, compression), thermomécaniques (DSC, DMA) et de relaxation de contrainte à l’aide d’une instrumentation avec des jauges de déformation sont effectués. Ceux-ci révèlent des ajustements à apporter pour permettre un meilleur contrôle du procédé. Entre autres, le taux de polymérisation, l’angle d’orientation des fibres et la température de mise en forme sont les principaux facteurs importants pris en compte. En effet, la recherche révèle que plus la température de mise en forme courbée est près de la température de transition vitreuse du composite moins la forme courbée à tendance à se conserver. Cela est similaire avec l’orientation des fibres, plus elles sont orientées circonférentiellement plus ce problème est de taille. De plus, le taux de polymérisation a un impact considérable sur la déformation maximale et sur la rigidité à haute température
Évaluation des propriétés physiques et mécaniques et les effets des cycles gel-dégel de composites fabriqués par enroulement filamentaire.
No full textRésumé : Le développement des matériaux composites et leur utilisation dans le domaine du génie civil ont fait l’objet d’une recherche extensive sur le renforcement des structures en béton armé. Dans ce contexte, les études sur la compréhension du comportement structural des tubes en matériaux composites (Polymère renforcé en Fibre, PRF) sont indispensables. De fait que les matériaux composites sont innovateurs, cela nous exige de procéder à des investigations expérimentales approfondies pour vérifier les hypothèses et les théories, avant de les produire à échelle industrielle.
Ce projet présente une étude expérimentale approfondie sur l’évaluation des propriétés physiques et mécaniques des nouveaux tubes en matériaux composites (PRF), et des tests sur la durabilité du matériau utilisé, et permet d’étudier l’influence de quelques facteurs environnementaux sur ces propriétés mécaniques, ces conditions sont simulées par une immersion prolongée en milieu aqueux et l'exposition à des cycles gel-dégel en milieu humide. Les tubes considérés sont produits par le procédé d’enroulement filamentaire à l’aide des fibres de verre (E) et de résine (Vinyle-Ester). Les expérimentations seront effectuées sur des échantillons normalisés prélevés à partir du tube.
Les résultats de cette étude sont d’une importance cruciale pour comprendre le comportement structural (avant et après un vieillissement accéléré) des nouveaux tubes fabriqués entièrement en polymères renforcés de fibres par le procédé de l’enroulement filamentaire. // Abstract : The development of composite materials and their integration in the field of civil engineering
has been the subject of extensive research on strengthening reinforced concrete structures. In
the perspective of strengthening concrete structures by tubes made of composite materials. In
this context, the need for knowledge of the structural behaviour of tubes made from fibre
reinforced polymer (FRP) composite materials is prominent. The large using of innovativeFRP
required extensive theoretical and experimental investigations.
This project presents an experimental study to evaluate both the physical and mechanical
properties of FRP-composites tubes, and to investigate the impact of some environmental
factors on their mechanical properties. The tubes are produced by a filament winding process
using fibre (E)-glass and vinyl-Ester resin. The experiments will be performed on standardized
samples of the tube.
The main objective of this project is to assess the physical and mechanical properties of
laminated FRP composites, and then test the durability of the material used in the manufacture
of the tubes. It leads to the study of the effects of some environmental factors on the
mechanical properties of material. These conditions occur during an immersion in an aqueous
medium and exposure to freeze-thaw cycles.
The results of this study are crucial to understand the structural behavior (before and after
accelerated aging) of new FRP tubes made by filament winding process
Évaluation des propriétés physiques et mécaniques et les effets des cycles gel-dégel de composites fabriqués par enroulement filamentaire.
Get PDFRésumé : Le développement des matériaux composites et leur utilisation dans le domaine du génie civil ont fait l’objet d’une recherche extensive sur le renforcement des structures en béton armé. Dans ce contexte, les études sur la compréhension du comportement structural des tubes en matériaux composites (Polymère renforcé en Fibre, PRF) sont indispensables. De fait que les matériaux composites sont innovateurs, cela nous exige de procéder à des investigations expérimentales approfondies pour vérifier les hypothèses et les théories, avant de les produire à échelle industrielle.
Ce projet présente une étude expérimentale approfondie sur l’évaluation des propriétés physiques et mécaniques des nouveaux tubes en matériaux composites (PRF), et des tests sur la durabilité du matériau utilisé, et permet d’étudier l’influence de quelques facteurs environnementaux sur ces propriétés mécaniques, ces conditions sont simulées par une immersion prolongée en milieu aqueux et l'exposition à des cycles gel-dégel en milieu humide. Les tubes considérés sont produits par le procédé d’enroulement filamentaire à l’aide des fibres de verre (E) et de résine (Vinyle-Ester). Les expérimentations seront effectuées sur des échantillons normalisés prélevés à partir du tube.
Les résultats de cette étude sont d’une importance cruciale pour comprendre le comportement structural (avant et après un vieillissement accéléré) des nouveaux tubes fabriqués entièrement en polymères renforcés de fibres par le procédé de l’enroulement filamentaire. // Abstract : The development of composite materials and their integration in the field of civil engineering
has been the subject of extensive research on strengthening reinforced concrete structures. In
the perspective of strengthening concrete structures by tubes made of composite materials. In
this context, the need for knowledge of the structural behaviour of tubes made from fibre
reinforced polymer (FRP) composite materials is prominent. The large using of innovativeFRP
required extensive theoretical and experimental investigations.
This project presents an experimental study to evaluate both the physical and mechanical
properties of FRP-composites tubes, and to investigate the impact of some environmental
factors on their mechanical properties. The tubes are produced by a filament winding process
using fibre (E)-glass and vinyl-Ester resin. The experiments will be performed on standardized
samples of the tube.
The main objective of this project is to assess the physical and mechanical properties of
laminated FRP composites, and then test the durability of the material used in the manufacture
of the tubes. It leads to the study of the effects of some environmental factors on the
mechanical properties of material. These conditions occur during an immersion in an aqueous
medium and exposure to freeze-thaw cycles.
The results of this study are crucial to understand the structural behavior (before and after
accelerated aging) of new FRP tubes made by filament winding process
Comportement axial de colonnes en béton armé renforcées de tubes en matériaux composites
Get PDFAbstract : The construction industry is expressing great demand for innovative and durable structural members such as bridge decks and piers, piling, and poles. Many steel-reinforced concrete structures subjected to de-icing salts and marine environments require extensive and expensive maintenance. Fiber-reinforced polymers (FRPs) have recently gained wide acceptance as a viable construction material for repair, rehabilitation, or new construction of the aging infrastructures particularly those exposed to harsh environment conditions. The promising concept of concrete-filled FRP tube (CFFT) system, that may be further reinforced with steel or FRP bars, has raised great interest amongst researchers in the last decade. The CFFT technique has been used successfully in different concrete structure elements such as pier column and girder for bridges and also as fender piles in marine structures. The FRP tube acts as a stay-in-place structural formwork, a noncorrosive reinforcement for the concrete for flexure and shear, provides confinement to the concrete in compression, and the contained concrete is protected from intrusion of moisture with corrosive agents that could otherwise deteriorate the concrete core. Using FRP bars instead of conventional steel bars in the CFFT columns can provide a step forward to develop a promising totally corrosion-free new structural system. Nonetheless, the axial behaviour of FRP bars as longitudinal reinforcement in compression members has yet to be explored, especially for the CFFT columns. To date, most of the experimental investigations performed on FRP confined concrete columns have considered short, unreinforced, small-scale concrete cylinders, tested under concentric, monotonic, and axial load. The slenderness ratio, internal longitudinal reinforcement type (steel or FRP bars), and axial cyclic loading effects on the behaviour of FRP confined concrete long columns, however, have received only limited research attention. To address such knowledge gaps, this study aimed at investigating the behaviour of the CFFT long columns internally reinforced with steel or FRP bars tested under monotonic and cyclic axial loading. A total of ten reinforced concrete (RC) and CFFT columns were constructed and tested until failure. All columns had 1900-mm in height and 213-mm in diameter. The investigated parameters were: i) the effect of internal reinforcement type (steel, glass FRP (GFRP), or carbon FRP (CFRP)) and amount, ii) GFRP tube thicknesses, and iii) nature of loading (i.e. monotonic and cyclic). The effect of the different parameters on the axial behaviour of the tested columns is presented and discussed. The research work presented in this dissertation has resulted in one paper submitted to the Elsevier Journal of Engineering Structures (manuscript ID: ENGSTRUCT-D-15-01381) and one accepted conference paper submitted to the 5 th International Structural Specialty Conference (CSCE 2016), London, Ontario, June 1st - 4th, 2016. The experimental test results showed that the CFFT columns reinforced with GFRP bars exhibited similar responses compared to their counterparts reinforced with steel bars with no significant difference in terms of ultimate axial strength and strain capacities. The GFRP tubes provided significant confinement of the tested specimens attributing to shift the mode of failure from axially dominated material failure to flexural-dominated instability failure. The results also indicated that the plastic strains of the FRP-reinforced CFFT columns was linearly proportional to the envelop unloading strains (εun,env). The relationship depended little on level of confinement, but strongly on the longitudinal reinforcement amount and type, particularly when εun,env > 0.0035. On the other hand, an analytical investigation was conducted to examine the validity of the available design provisions for predicting the ultimate load capacity of tested columns. The results of the analysis were compared with the experimental values. It was found that the ACI 440.R1 (2015), CSA S806 (2012), and CSA S6-06 (2010) design provisions provided higher conservative results for the GFRP-reinforced control specimens than that of steel-reinforced specimen. This might be due to neglecting the contribution of the compressive resistance of the GFRP bars to the axial carrying capacity. Furthermore, for FRP-reinforced CFFT columns, the ACI 440.2R (2008), CSA S806 (2012), and CSA S6-06 (2010) provisions results over the experimental results were an average of 1.68±0.31, 1.57±0.18, and 1.72±0.35 with a COV of 18.4%, 11.3%, and 20.5%, respectively. By considering the confinement codes limits, the CSA S806 (2012) showed better correlation for the ultimate carrying capacity based on the average than the CSA S6-06 (2010) and ACI 440.2R (2008), particularly for specimens cast with tube Type B.Résumé : L'industrie de la construction exprime une grande demande pour les structures innovantes et durables tels que les tabliers de ponts et les quais, les pieux et les poteaux. Plusieurs structures en béton armé sont soumises à des sels de déglaçage et à des environnements marins qui exigent un entretien coûteux. Les polymères renforcés de fibres (PRF) ont récemment été reconnus en tant que matériau de construction viable pour la réparation, la réhabilitation ou la construction de nouvelles infrastructures vieillissantes en particulier celles exposées à des conditions d'environnement sévères. Le concept prometteur du système de tube rempli de béton PRF (CFFT), qui peut être encore renforcé avec de l'acier ou des barres en PRF, a amorcé un grand intérêt parmi les chercheurs durant la dernière décennie. La technique CFFT a été utilisée avec succès dans les différents éléments de structure en béton tels que les colonnes et les poutres de ponts et aussi comme des pieux pour les structures marines. Le tube en PRF agit comme un coffrage structural sur place, un renforcement non corrosif pour le béton en flexion et au cisaillement en utilisant l'orientation des fibres multidirectionnelle, fournit un confinement au béton en compression, et le béton est protégé de toute intrusion d'humidité des agents corrosifs qui, autrement, pourraient détériorer le noyau de béton (ACI 440. R-07 (2007)). L’utilisation des barres de PRF au lieu de barres d'acier conventionnelles dans les colonnes CFFT peut fournir un pas en avant pour développer un nouveau système structurel. Néanmoins, le comportement axial des barres en PRF comme armatures longitudinales dans les membrures en compression n'a pas encore été exploré, en particulier pour les colonnes CFFT. À ce jour, la plupart des études expérimentales effectuées sur les colonnes en béton confinés de PRF, ont considéré des cylindres en béton, courts, à petite échelle non armés, et testés sous un charge concentrique, monotone, et axiale. Le rapport d'élancement, le renfort longitudinal interne (acier ou barres en PRF), et les effets du chargement axial cyclique sur le comportement des colonnes élancées de béton confinés et en PRF, ont connu une recherche limitée. Pour combler ce manque de connaissance, cette étude vise à étudier le comportement des colonnes élancées CFFT armé en acier ou en barres de PRF testées sous charges axiales monotones et cycliques. Un total de dix colonnes en béton armé (RC) et CFFT été fabriquées et testées jusqu'à la rupture. Toutes les colonnes ont 1900 mm de hauteur et 213 mm de diamètre. Les paramètres étudiés sont les suivants: i) l'effet de type de renforcement interne et la quantité de renforcement, ii) les épaisseurs de tubes PRV, et iii) le type de chargement (monotone et cyclique). L'effet des variables considérées sur le comportement axial des colonnes testées dans le travail expérimental est présenté et discuté. Le travail de recherche présenté dans cette analyse a fait l’objet d’un article scientifique soumis à Elsevier Journal of Engineering Structures (manuscrit ID: ENGSTRUCT-D-15-01381) et un article lors d’une conférence acceptée soumis à la 5ième International Structural Specialty Conference (CSCE 2016), London, Ontario, Juin 1er - 4ième, 2016. Les résultats des essais expérimentaux ont montré que les colonnes CFFT renforcées de barres en PRFV présentaient des réponses similaires par rapport à leurs homologues renforcées avec des barres d'acier sans différence significative en termes de capacité ultime de résistance axiale et de déformation. Les tubes en PRFV fournissent un confinement significatif des échantillons testés attribuant à changer le mode de rupture, c’est-à-dire d’une rupture des matériaux axialement à une rupture d’instabilité en flexion. En outre, l'augmentation de l'épaisseur du tube en PRFV de 2,9 à 6,4 mm améliore les rapports de résistance et de déformation de 25 % et 12 %, respectivement. Les résultats indiquent également que les déformations plastiques des colonnes renforcées de PRF sont linéairement proportionnelles aux enveloppes de tension de déchargement (εde,env). La relation dépend un peu du niveau de confinement, mais fortement de la quantité et du type de renfort longitudinal, en particulier lorsque εde,env > 0,0035. D'autre part, une investigation a été menée pour examiner la validité des dispositions de conception disponibles pour prédire la capacité de la charge ultime des colonnes testées. Les résultats de l'analyse ont été comparés avec les valeurs expérimentales. Il a été constaté que les prévisions de l'ACI 440.R1 (2015), CSA S806 (2012), et CSA S6-06 (2010) ont fourni des résultats conservateurs plus élevés pour les échantillons de contrôle en PRFV que celui de l'échantillon d'acier. Cela peut être dû à la négligence de la contribution de la résistance à la compression des barres de PRFV à la capacité de charge axiale. En outre, pour les colonnes de CFFT renforcées de PRF, les prévisions de l'ACI 440.2R (2008), du CSA S806 (2012), et du CSA S6-06 (2010) étaient de 1,68 ± 0,31, 1,57 ± 0,18 et 1,72 ± 0,35 avec un COV de 18,4 %, 11,3%, et 20,5%, respectivement. En considérant les limites des codes de confinement, le code CSA S806 (2012) a révélé les meilleures prévisions pour la capacité de charge ultime basée sur la moyenne que celui du code CSA S6-06 (2010) et de l’ACI 440.2R (2008), en particulier pour les échantillons réalisés avec des tubes de Type B
Évaluation du comportement à la fatigue et de la durabilité de composites en PRFV fabriqués par enroulement filamentaire
No full textDans l'optique de remplacer dans un avenir rapproché les poteaux en bois utilisés dans les réseaux d'éclairage et de distribution de l'électricité, ce mémoire de maîtrise présente une étude sur une technologie alternative: les poteaux en matériaux composites (PRF). Ceux-ci offrent des avantages particulièrement intéressants pour cette industrie puisqu'ils sont entre autres légers et résistants à la corrosion, en plus d'être peu coûteux à installer et à entretenir. L'objectif de ce projet de recherche est de déterminer la durabilité du matériau utilisé dans la fabrication de ces poteaux. Celui-ci se traduit par une étude du comportement en fatigue et une évaluation des effets de certains facteurs environnementaux. Les poteaux considérés sont produits par enroulement filamentaire à l'aide de deux types de fibres de verre (A et B) et de résine époxy. Les expérimentations ont été effectuées sur des échantillons normalisés prélevés à partir des trois zones (I, II et III) de différents poteaux (20, 33, 35 et 40 pieds de longueur), permettant ainsi de considérer l'influence de divers paramètres techniques et géométriques. Les essais de fatigue simulent les effets dus aux charges du vent. Le principe de ces derniers est d'appliquer une charge de façon répétitive jusqu'à la rupture du matériau. Le concept de la limite d'endurance a été utilisé pour analyser les résultats. Il s'agit de déterminer l'amplitude maximale, exprimée en pourcentage de la résistance ultime, pouvant être supportée indéfiniment par un échantillon sans qu'il n'y ait rupture apparente. En résumé, les trois zones du poteau 40-B ont pratiquement le même comportement en fatigue (limite d'endurance variant de 25% à 29%). Les fibres de type A, plus légères, indiquent une meilleure performance en fatigue que les fibres de type B (35% contre 28%). La zone III du poteau 35-B a été de loin supérieure à la même zone des poteaux 33-B et 40-B (47% par rapport à 23% et à 25%). Puis, les effets résultant des interactions de l'eau avec les poteaux en PRFV ont été évalués. L'immersion prolongée dans de l'eau distillée et dans une solution saline à diverses températures a révélée une migration plus rapide dans le matériau pour une eau pure à température élevée. De plus, la résistance en flexion a diminué légèrement en parallèle avec ce vieillissement. L'exposition à des cycles de gel/dégel en milieu humide n'a présenté, à long terme, aucun effet significatif sur les performances en flexion des échantillons
Performance des éléments de ponts en béton armé renforcés par des PRFC externes sous des charges statiques et de fatigue en tenant compte des conditions environnementales
Get PDFLes ponts constituent un élément essentiel de l'infrastructure d'un pays pour améliorer la mobilité
des personnes et des marchandises. Les ponts sont des structures extérieures toujours exposées aux
conditions environnementales. Cela est particulièrement vrai dans les régions à climat nordique,
où l'utilisation excessive de sels de déverglaçage, les cycles de gel-dégel (FTC) et les cycles de
séchage et d'humidité peuvent affecter la durabilité des ponts, réduisant ainsi leur durée de vie
utile. Le développement de stratégies pour améliorer ou réhabiliter les ponts en béton armé (BA)
est une préoccupation majeure pour les ingénieurs civils. Des études antérieures et des applications
sur le terrain ont montré que le collage de polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) sur
les surfaces des éléments de ponts est une solution attrayante pour le renforcement des ponts. Les
matériaux PRFC présentent plusieurs avantages, tels qu'une légèreté et un rapport capacité de
traction/poids élevé par rapport à l'acier ou aux fibres de verre, de basalte et d'aramide. De plus,
ils offrent une grande résistance à la fatigue et une facilité d'installation grâce à leur capacité unique
à s'adapter aux géométries complexes des éléments structuraux. En outre, le PRFC est un matériau
non-corrosif. Tous ces avantages confèrent au PRFC une priorité pour le renforcement et la
réhabilitation des ponts. Depuis longtemps, les chercheurs utilisent des tests accélérés pour simuler
l'exposition environnementale et les dommages de fatigue, et des spécimens intacts pour
représenter des ponts réels. Cependant, de telles méthodes et leurs conséquences sont mal connues
en raison d'un accès limité aux traitements réels. La déconstruction du Pont Champlain Original (PCO) offre une opportunité exceptionnelle d'étudier et d'évaluer la capacité résiduelle des
éléments en béton armé renforcés avec des PRFC, après avoir subi de véritables conditions de
service, de fatigue, et d'exposition à des conditions environnementales agressives.
Dans cette étude de recherche, le programme expérimental s'est déroulé en quatre phases. La
première phase a été réalisée pour étudier le comportement en flexion des poutres en béton armé
renforcées avec des PRFC après exposition à des cycles de gel-dégel. Un total de 22 poutres
rectangulaires ont été renforcées sur leur face inférieure avec des feuilles de PRFC mesurant 100
mm de largeur, 200 mm d'épaisseur et 1200 mm de longueur, et ont été testées sous des charges
en quatre points jusqu'à la rupture. La deuxième phase a inclus des tests sur 18 poutres
rectangulaires ayant les mêmes dimensions et configurations que les précédentes, sous des charges
de fatigue, afin d'étudier l'action combinée du chargement en fatigue et des conditions environnementales, telles que le gel-dégel, sur la performance en flexion des poutres BA
renforcées avec des feuilles de PRFC. La troisième phase a porté sur 24 poutres en T renforcées
au cisaillement avec des feuilles de PRFC avant et après exposition à des cycles de gel-dégel. Ces
poutres mesuraient 220 mm de largeur de semelle, 80 mm d'épaisseur de semelle, 100 mm de
largeur d'âme, 280 mm d'épaisseur totale et 1200 mm de longueur. Le principal objectif de cette
phase était d'étudier le comportement au cisaillement des poutres BA renforcées avec des PRFC
sous les conditions de gel-dégel. Les paramètres de test pour toutes les phases précédentes
incluaient le type de PRFC (deux types différents de PRFC ont été utilisés, chacun ayant un module
d'élasticité différent), l'épaisseur des PRFC (une ou deux couches de PRFC ont été utilisées), la
présence d'ancrages, et l'exposition à différents cycles de gel-dégel (0, 100, 200 et 300 cycles de
gel-dégel ont été établis). La quatrième phase a inclus des tests sur deux poutres à grande échelle
déconstruites du Pont Champlain Original sous deux millions de cycles de fatigue, puis testées de
manière monotone jusqu'à la rupture pour évaluer la durée de vie en fatigue résiduelle et la capacité
de poutres de pont en béton armé de 60 ans, qui avaient été renforcées à l'aide de feuilles de PRFC
au cours de la dernière décennie. Les résultats des tests ont été soigneusement analysés en termes
de résistance en flexion et au cisaillement, comportement de fissuration, modes de rupture, réponse
charge-déflexion, et déformations dans les renforts externes et internes ainsi que dans le béton.
Les effets des paramètres de test sur le comportement en flexion et au cisaillement ont été discutés
et évalués. Une prédiction théorique de la capacité en flexion, de la capacité au cisaillement et de la déflexion à l'aide des modèles actuels a été comparée aux résultats expérimentaux obtenus dans
cette étude. En outre, un modèle proposé tenant compte de l'effet des cycles de gel-dégel sur la
capacité en flexion des poutres renforcées a été développé. De plus, un modèle prédictif de la durée
de vie en fatigue des poutres renforcées soumises à des cycles de gel-dégel a été présenté. Les
résultats révèlent que l'exposition aux cycles de gel-dégel diminue les capacités en flexion et au
cisaillement des poutres renforcées. L'augmentation de l'épaisseur des couches de PRFC ou du
module d'élasticité peut ne pas améliorer efficacement la capacité en flexion. Le mode de rupture
observé sous fatigue pour toutes les poutres renforcées était une rupture par décollement.
Cependant, la présence d'ancrages a modifié le mécanisme de décollement, passant de la séparation
de la couche de béton à un décollement induit par une fissure intermédiaire. Les cycles de geldégel n'ont pas eu d'impact significatif sur les modes de rupture observés. La technique de
renforcement par PRFC peut prolonger la durée de vie du pont et améliorer sa capacité au cisaillement. L'interface PRFC-béton et les feuilles de PRFC ont montré un excellent
comportement d'adhérence après dix ans de service, car aucune rupture par décollement ou rupture
en traction ne s'est produite jusqu'à la formation de la fissure de cisaillement diagonale. Les
résultats théoriques pour prédire les capacités en flexion montrent que les modèles ACI (2017) et
CSA (2019) ont donné des prédictions similaires surestimées avec un rapport moyen Pexp./Ppred. de
0,7 et 0,71, respectivement. Une analyse intégrant le facteur de réduction environnemental, tel qu'il
est décrit dans les dispositions de conception, n'a eu aucun effet discernable sur les capacités
prédites des poutres renforcées. En revanche, les résultats théoriques pour prédire les capacités au
cisaillement montrent que les modèles ACI (2017) et CSA (2019) ont donné des prédictions
conservatrices avec un rapport moyen Vexp/Vpred de 1,39 ± 0,14 et 1,36 ± 0,19, avec des coefficients
de variation (COV) de 9,7 % et 13,9 %, respectivement. Le modèle analytique proposé pour la
capacité en flexion a démontré une grande précision dans la prédiction des capacités en flexion
des poutres renforcées, montrant une excellente concordance avec les résultats expérimentaux. Le
modèle proposé tient compte de manière efficace des propriétés de dégradation en fatigue
indépendantes et des critères de rupture de tous les composants des poutres renforcées par PRFC.
En considérant la dégradation macroscopique des propriétés des matériaux sous chargement de
fatigue et cycles de gel-dégel, le modèle peut intuitivement refléter l'impact sur la performance
globale des poutres renforcées. Par conséquent, le modèle peut raisonnablement prédire les durées
de vie en fatigue et les modes de rupture qui sont cohérents avec les résultats expérimentaux.Bridges are a critical component of a nation's infrastructure for improving the mobility of people and goods. Bridges are outdoor structures that are always exposed to environmental conditions. Especially in the northern climate regions, where the excessive use of de-icing salts, freeze-thaw cycles (FTC), and dry and wet cycles can affect the durability of bridges, thereby minimizing their service life. The development of strategies to enhance or rehabilitate reinforced concrete (RC) bridges is a significant concern for civil engineers. Previous studies and field applications have shown that bonding carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) to bridge element surfaces is an attractive solution for bridge strengthening. CFRP materials have several advantages, such as light weight and high tensile capacity/weight ratio in comparison with steel or glass, basalt, and aramid fiber. Moreover, it has great fatigue resistance and ease of installation owing to its unique capability to adjust difficult member geometry. In addition, CFRP is a non-corrosive material. All these advantages give CFRP precedence for use in bridge strengthening and rehabilitation. For a long time, researchers have used accelerated tests to simulate environmental exposure and fatigue damage and intact specimens to represent actual bridges. However, such treatments and their consequences are unknown because of limited access to actual treatment. The deconstruction of the Original Champlain Bridge (OCB) offers an exceptional opportunity to study and evaluate the residual capacity of reinforced concrete elements reinforced with CFRP, after having suffered under real service conditions, fatigue, under aggressive environmental conditions. In this research study, the experimental program consisted of four phases. The first phase was conducted to investigate the flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with CFRP after exposure to freeze-thaw cycles. A total of 22 rectangular beams were strengthened in their bottom face with CFRP sheets measuring 100 mm in width, 200 mm in thickness, and 1200 mm in length, and tested under four-point loads until failure. The second phase included testing 18 rectangular beams with the same dimensions and configurations as the previous ones under fatigue loads to investigate the combined action of fatigue loading and environmental conditions, such as freeze-thaw, on the flexural performance of RC beams strengthened with CFRP sheets. The third phase included 24 T-section beams strengthened in shear with CFRP sheets before and after exposure to freeze-thaw cycles, measuring 220 mm in flange width, 80 mm in flange thickness, 100 mm in web width, 280 mm in total thickness and 1200 mm in length. The main purpose of third phase is to study the shear behavior of RC beams strengthened with CFRP under FTC. The test parameters for all the previous phases were the CFRP type (two different types of CFRP were utilized, each one has different modulus of elasticity), CFRP thickness (one and two layers of CFRP were used), the presence of anchors, and the exposure to different freeze-thaw cycles (0, 100, 200, and 300 FTC were established). The fourth phase included testing of two full scale girders that deconstructed from the OCB under two-million fatigue loading and then tested monotonically until failure to investigate the residual fatigue life and capacity of 60-year-old reinforced concrete bridge girders, which were strengthened using CFRP sheets in the recent decade. The test results were carefully analyzed in terms of flexural and shear strength, cracking behavior, failure modes, load-deflection response, and strains in external and internal reinforcements and concrete. The effects of test parameters on flexural and shear behavior were discussed and evaluated. A theoretical prediction of the flexural capacity, shear capacity, and deflection using the current models was compared with the experimental results obtained herein. In addition, a proposal model considering the effect of freeze-thaw cycles on the flexural capacity of strengthened beam was developed. Moreover, a predictive model of fatigue life of strengthened beams subjected to freeze-thaw cycles was presented. The results reveal that exposure to freeze-thaw cycles decreases the flexural and shear capacities of the strengthened beam. Increasing the thickness of CFRP layers or the modulus of elasticity may not effectively enhance the flexural capacity. The observed fatigue failure mode for all strengthened beams was debonding failure. However, the presence of anchorage altered the debonding mechanism from concrete cover separation to intermediate crack-induced debonding. Freeze-thaw cycles did not significantly impact the observed failure modes. The CFRP-strengthening technique can extend the service life of the bridge element and enhance its shear capacity. The CFRP-concrete interface and CFRP sheets showed excellent bonding behavior after being in service for ten years, as no damage-debonding failure or tensile rupture occurred until the formation of the diagonal shear crack. The theoretical outcomes for predicting the flexural capacities show that ACI (2017) and CSA (2019) yielded similar overestimated predictions with an average Pexp./Ppred. of 0.7 and 0.71, respectively. An analysis incorporating the environmental reduction factor, as outlined in the design provisions, had no discernible effect on the predicted capacities of the strengthened beams. On other hand, the theoretical outcomes for predicting the shear capacities show that ACI (2017) and CSA (2019) yielded conservative predictions with an average Vexp/Vpred of 1.39 ± 0.14, and 1.36 ± 0.19 with COVs of 9.7%, and 13.9 %, respectively. The proposed analytical model for flexural capacity demonstrated high accuracy in predicting the flexural capacities of the strengthened beams, exhibiting excellent alignment with the experimental results. The proposed model effectively accounts for the independent fatigue degradation properties and failure criteria of all components in CFRP-strengthened beams. By considering the macroscopic degradation of material properties under fatigue loading and freeze thaw cycles, the model can intuitively reflect the impact on the overall performance of the strengthened beams. Consequently, the model can reasonably predict fatigue lifespans and failure modes that are consistent with experimental results
Évaluation des effets environnementaux sur le comportement de tubes en matériaux composites pour de nouvelles applications durables de bâtiments et d'infrastructures urbaines
No full textThe advantages of fiber-reinforced polymer (FRP) composite material have attracted structural and architectural engineers as alternative construction materials of the traditional wood, steel and concrete. Concrete-filled FRP tubes (CFFTs) system is one of the most promising applications of the FRP composit material. This innovative integrated system can protect RC structures from aggressive environmental conditions; sequentially expand the service life of structures. Nevertheless, limited knowledge is available on the CFFT system at extreme service environments. Data related to durability of the CFFT as integrated system comparing with conventional ones is one of the major challenges that need to be addressed. These data are moer required prior to the widespread acceptance and implementation of FRP materials in civil infrastructure. Farther, comprehensive databases in this specific are critical to provide designers and practicing engineers with the knowledge to select the best solution toward achieving a sustainable built environment. This thesis focuses on evaluating the short and long term effect of freze-thaw cycles on the mechanical behavior of the filament wound glass-FRP (GFRP) tubes. In addition, the thesis evaluating the axial performances of reinforced and unreinforced CFFT columns through experimental and theoretical study. To fulfill the objectives of this research, an experimental program has been designed to examine three main parts. (I) Mechanical properties of the GFRP tubes; (II) The axial behavior of CFFT cylinders; (III) The axial behavior of CFFT reinforced and unreinforced columns. The effect of five parameters and their interactions were investigated; namely, the effect of different freze-thaw cycles (in dry air, frsh and/or salt water), number of cycles (100 and/or 300 cycles), two different thicknesses (2.65 mm and 6.4 mm) of the GFRP tube. The influence of using different types of internal longitudinal reinforcement (steel, GFRP, and carbon FRP bars) and the type of transverse reinforcements (spiral steel or FRP tubes) are included in the test variables. Based on the finding of experimental investigation regarding mechanical properties of the GFRP tubes (part I), neither the type nor the number of freze--thaw cycles affect the strength of GFRP tube used in this study. However, increasing in the stiffness, reductions in the strains and transition in failure mechanisms are identified after 300 freze-thaw cycles. The experimental results of axial compression tests on CFFT cylinders (part II) indicated low influence of the freze-thaw cycles on the average ultimate strength of CFFT tube with the large thickness. While, significant and sever degradation was reflected on the behavior of CFFT cylinders with the small thickness after 300 freze-thaw cycles. Based on the experimental test results of (part II) environmental reduction factors were proposed to consider the effect freze/thaw cycles on the strength capacity of CFFT cylinders. Also, the regression analysis was used to predict the service life environmental reduction Factors to design CFFT member for up to 75 years. In addition, an assessment of selected FRP-confined models has been presented to predict the ultimate strength of CFFT cylinders based on the test results of (part I). Finally, comparisons between the experimental results and those predicted by the selected models were presented. The experimental investigation on the performance of reinforced CFFT columns (part III) indicated that the freze-thaw exposure brings about individual degradation, in different levels, in the component of the CFFT (GFRP tube, concrete and reinforcement) as integrated systems. This degradation resulted in reduction in the axial carrying capacities of the conditioned columns. Nevertheless, an increase in compressive strength of the CFFT columns was evident over the RC conventional columns. Based on the test results of this (part III), environmental reduction factors were proposed to account for the effect of freze/thaw cycles on the axial load capacity of reinforced and unreinforced CFFT columns. The data obtained from the test results of (part I), predicted confined compressive strength optained from (part II) and the proposed environmental reduction factors from (part III) were used in the ACI440-2R-08 and CAN/CSA S806-08 design equations to predict the nominal capacity of CFFT columns in sever environmental condition
Comportement axial de colonnes en béton armé renforcées de tubes en matériaux composites
No full textAbstract : The construction industry is expressing great demand for innovative and durable structural members such as bridge decks and piers, piling, and poles. Many steel-reinforced concrete structures subjected to de-icing salts and marine environments require extensive and expensive maintenance. Fiber-reinforced polymers (FRPs) have recently gained wide acceptance as a viable construction material for repair, rehabilitation, or new construction of the aging infrastructures particularly those exposed to harsh environment conditions. The promising concept of concrete-filled FRP tube (CFFT) system, that may be further reinforced with steel or FRP bars, has raised great interest amongst researchers in the last decade. The CFFT technique has been used successfully in different concrete structure elements such as pier column and girder for bridges and also as fender piles in marine structures. The FRP tube acts as a stay-in-place structural formwork, a noncorrosive reinforcement for the concrete for flexure and shear, provides confinement to the concrete in compression, and the contained concrete is protected from intrusion of moisture with corrosive agents that could otherwise deteriorate the concrete core. Using FRP bars instead of conventional steel bars in the CFFT columns can provide a step forward to develop a promising totally corrosion-free new structural system. Nonetheless, the axial behaviour of FRP bars as longitudinal reinforcement in compression members has yet to be explored, especially for the CFFT columns. To date, most of the experimental investigations performed on FRP confined concrete columns have considered short, unreinforced, small-scale concrete cylinders, tested under concentric, monotonic, and axial load. The slenderness ratio, internal longitudinal reinforcement type (steel or FRP bars), and axial cyclic loading effects on the behaviour of FRP confined concrete long columns, however, have received only limited research attention. To address such knowledge gaps, this study aimed at investigating the behaviour of the CFFT long columns internally reinforced with steel or FRP bars tested under monotonic and cyclic axial loading. A total of ten reinforced concrete (RC) and CFFT columns were constructed and tested until failure. All columns had 1900-mm in height and 213-mm in diameter. The investigated parameters were: i) the effect of internal reinforcement type (steel, glass FRP (GFRP), or carbon FRP (CFRP)) and amount, ii) GFRP tube thicknesses, and iii) nature of loading (i.e. monotonic and cyclic). The effect of the different parameters on the axial behaviour of the tested columns is presented and discussed. The research work presented in this dissertation has resulted in one paper submitted to the Elsevier Journal of Engineering Structures (manuscript ID: ENGSTRUCT-D-15-01381) and one accepted conference paper submitted to the 5 th International Structural Specialty Conference (CSCE 2016), London, Ontario, June 1st - 4th, 2016. The experimental test results showed that the CFFT columns reinforced with GFRP bars exhibited similar responses compared to their counterparts reinforced with steel bars with no significant difference in terms of ultimate axial strength and strain capacities. The GFRP tubes provided significant confinement of the tested specimens attributing to shift the mode of failure from axially dominated material failure to flexural-dominated instability failure. The results also indicated that the plastic strains of the FRP-reinforced CFFT columns was linearly proportional to the envelop unloading strains (εun,env). The relationship depended little on level of confinement, but strongly on the longitudinal reinforcement amount and type, particularly when εun,env > 0.0035. On the other hand, an analytical investigation was conducted to examine the validity of the available design provisions for predicting the ultimate load capacity of tested columns. The results of the analysis were compared with the experimental values. It was found that the ACI 440.R1 (2015), CSA S806 (2012), and CSA S6-06 (2010) design provisions provided higher conservative results for the GFRP-reinforced control specimens than that of steel-reinforced specimen. This might be due to neglecting the contribution of the compressive resistance of the GFRP bars to the axial carrying capacity. Furthermore, for FRP-reinforced CFFT columns, the ACI 440.2R (2008), CSA S806 (2012), and CSA S6-06 (2010) provisions results over the experimental results were an average of 1.68±0.31, 1.57±0.18, and 1.72±0.35 with a COV of 18.4%, 11.3%, and 20.5%, respectively. By considering the confinement codes limits, the CSA S806 (2012) showed better correlation for the ultimate carrying capacity based on the average than the CSA S6-06 (2010) and ACI 440.2R (2008), particularly for specimens cast with tube Type B.Résumé : L'industrie de la construction exprime une grande demande pour les structures innovantes et durables tels que les tabliers de ponts et les quais, les pieux et les poteaux. Plusieurs structures en béton armé sont soumises à des sels de déglaçage et à des environnements marins qui exigent un entretien coûteux. Les polymères renforcés de fibres (PRF) ont récemment été reconnus en tant que matériau de construction viable pour la réparation, la réhabilitation ou la construction de nouvelles infrastructures vieillissantes en particulier celles exposées à des conditions d'environnement sévères. Le concept prometteur du système de tube rempli de béton PRF (CFFT), qui peut être encore renforcé avec de l'acier ou des barres en PRF, a amorcé un grand intérêt parmi les chercheurs durant la dernière décennie. La technique CFFT a été utilisée avec succès dans les différents éléments de structure en béton tels que les colonnes et les poutres de ponts et aussi comme des pieux pour les structures marines. Le tube en PRF agit comme un coffrage structural sur place, un renforcement non corrosif pour le béton en flexion et au cisaillement en utilisant l'orientation des fibres multidirectionnelle, fournit un confinement au béton en compression, et le béton est protégé de toute intrusion d'humidité des agents corrosifs qui, autrement, pourraient détériorer le noyau de béton (ACI 440. R-07 (2007)). L’utilisation des barres de PRF au lieu de barres d'acier conventionnelles dans les colonnes CFFT peut fournir un pas en avant pour développer un nouveau système structurel. Néanmoins, le comportement axial des barres en PRF comme armatures longitudinales dans les membrures en compression n'a pas encore été exploré, en particulier pour les colonnes CFFT. À ce jour, la plupart des études expérimentales effectuées sur les colonnes en béton confinés de PRF, ont considéré des cylindres en béton, courts, à petite échelle non armés, et testés sous un charge concentrique, monotone, et axiale. Le rapport d'élancement, le renfort longitudinal interne (acier ou barres en PRF), et les effets du chargement axial cyclique sur le comportement des colonnes élancées de béton confinés et en PRF, ont connu une recherche limitée. Pour combler ce manque de connaissance, cette étude vise à étudier le comportement des colonnes élancées CFFT armé en acier ou en barres de PRF testées sous charges axiales monotones et cycliques. Un total de dix colonnes en béton armé (RC) et CFFT été fabriquées et testées jusqu'à la rupture. Toutes les colonnes ont 1900 mm de hauteur et 213 mm de diamètre. Les paramètres étudiés sont les suivants: i) l'effet de type de renforcement interne et la quantité de renforcement, ii) les épaisseurs de tubes PRV, et iii) le type de chargement (monotone et cyclique). L'effet des variables considérées sur le comportement axial des colonnes testées dans le travail expérimental est présenté et discuté. Le travail de recherche présenté dans cette analyse a fait l’objet d’un article scientifique soumis à Elsevier Journal of Engineering Structures (manuscrit ID: ENGSTRUCT-D-15-01381) et un article lors d’une conférence acceptée soumis à la 5ième International Structural Specialty Conference (CSCE 2016), London, Ontario, Juin 1er - 4ième, 2016. Les résultats des essais expérimentaux ont montré que les colonnes CFFT renforcées de barres en PRFV présentaient des réponses similaires par rapport à leurs homologues renforcées avec des barres d'acier sans différence significative en termes de capacité ultime de résistance axiale et de déformation. Les tubes en PRFV fournissent un confinement significatif des échantillons testés attribuant à changer le mode de rupture, c’est-à-dire d’une rupture des matériaux axialement à une rupture d’instabilité en flexion. En outre, l'augmentation de l'épaisseur du tube en PRFV de 2,9 à 6,4 mm améliore les rapports de résistance et de déformation de 25 % et 12 %, respectivement. Les résultats indiquent également que les déformations plastiques des colonnes renforcées de PRF sont linéairement proportionnelles aux enveloppes de tension de déchargement (εde,env). La relation dépend un peu du niveau de confinement, mais fortement de la quantité et du type de renfort longitudinal, en particulier lorsque εde,env > 0,0035. D'autre part, une investigation a été menée pour examiner la validité des dispositions de conception disponibles pour prédire la capacité de la charge ultime des colonnes testées. Les résultats de l'analyse ont été comparés avec les valeurs expérimentales. Il a été constaté que les prévisions de l'ACI 440.R1 (2015), CSA S806 (2012), et CSA S6-06 (2010) ont fourni des résultats conservateurs plus élevés pour les échantillons de contrôle en PRFV que celui de l'échantillon d'acier. Cela peut être dû à la négligence de la contribution de la résistance à la compression des barres de PRFV à la capacité de charge axiale. En outre, pour les colonnes de CFFT renforcées de PRF, les prévisions de l'ACI 440.2R (2008), du CSA S806 (2012), et du CSA S6-06 (2010) étaient de 1,68 ± 0,31, 1,57 ± 0,18 et 1,72 ± 0,35 avec un COV de 18,4 %, 11,3%, et 20,5%, respectivement. En considérant les limites des codes de confinement, le code CSA S806 (2012) a révélé les meilleures prévisions pour la capacité de charge ultime basée sur la moyenne que celui du code CSA S6-06 (2010) et de l’ACI 440.2R (2008), en particulier pour les échantillons réalisés avec des tubes de Type B
Performance de l’adhérence entre le béton et le tube sous charges latérales cycliques, en PRF et conception de nouvelles connexions poutre-colonne pour tubes en PRF remplis de béton
Get PDFAu cours des deux dernières décennies, les travaux de recherche rapportés sur les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de bétons (TPRFB) ont clairement démontré une meilleure performance par rapport aux éléments (poutre ou colonne) en béton armé conventionnel : en termes de résistance, ductilité et durabilité dans des environnements corrosifs. Plusieurs facteurs expliquent cette performance supérieure : le tube en (PRF) fournit un confinement parfait pour le béton, particulièrement lorsqu’il est sollicité en traction, fournit également des renforts dans les deux directions longitudinale et transversale de l’élément, et sert de coffrage léger et permanent. La résistance à la compression du noyau de béton est considérablement augmentée et la ductilité/déformabilité des membrures se trouve grandement améliorée. Tous ces avantages confèrent la possibilité aux (TPRFB) d'être utilisés dans de nombreuses applications telles que les pieux marins, les poutres et les colonnes de ponts, les poteaux et les structures de panneaux suspendus.
Plusieurs recherches ont été menées pour étudier et évaluer le comportement des éléments structuraux (TPRFB) sous différents types de chargement : charges latérales monotones ou cycliques avec ou sans charges axiales. Néanmoins, très peu de recherches ont été réalisées pour étudier l'effet de l’adhérence entre le noyau de béton et le tube PRF sur le comportement à la flexion d’un élément TPRFB. L'effet de taille du tube en PRF doit également être examiné.
Par ailleurs, une question que la présente thèse a tenté de répondre est : comment attacher une poutre (TPRFB) à une colonne (TPRFB)? À la lumière de la revue de littérature et aux mieux de mes connaissances, il n’existe aucune étude traitant des connexions poutre/colonne pour TPRFB.
Cette thèse est composée de deux parties. La première partie porte sur l’évaluation de la performance de l’adhérence entre le tube en PRF et le béton. Des prototypes grandeur nature de colonnes TPRFB ont été testés sous charges latérales cycliques. Une approche novatrice pour évaluer la performance de l’adhérence entre le tube de PRF et le noyau de béton en utilisant des jauges de déformation intégrées dans le béton a été développée et utilisée. Cette technique a permis d’étudier l'action composite entre le tube en FRP et le noyau de béton sur le comportement en flexion des colonnes TPRFB. En outre, la contribution de l'amélioration de l’adhérence à l’aide d’enrobage de sable est également étudiée, et est quantifiée. Quatre colonnes circulaires, grandeur nature, ont été testées dans la partie I sous charge cyclique latérale pour étudier l’adhérence entre le tube en PRF et le noyau de béton. L’effet d’un revêtement de sable (Deux colonnes avec revêtement de sable versus deux colonnes sans revêtement de sable), ainsi que l'effet de la taille des tubes (deux colonnes de 305 mm de diamètre versus deux autres de 406 mm de diamètre) sur le comportement en flexion des membres TPRFB ont été étudiés.
La deuxième partie a porté sur le développement et la conception d'une nouvelle connexion poutre-colonne pour TPRFB de sections rectangulaires. La nouvelle connexion a été étudiée expérimentalement, et un nouveau modèle analytique permettant de prédire sa capacité structurale est proposé. Des équations de conception et des études analytiques pour calculer la capacité en flexion de poutres rectangulaires de TPRFB, ainsi que la profondeur encastrée requise sont également présentées. Quatre connexions poutres-colonnes TPRFB de sections rectangulaires ont été conçues, fabriquées et testées sous charge monotone.
Les résultats de la première partie ont montré que l’adhérence influence significativement la résistance à la flexion et la rigidité de la colonne TPRFB. L'utilisation d’un revêtement de sable améliore l’adhérence entre le tube de PRF et le noyau de béton, minimise l'effet néfaste d’un retrait éventuel du béton. Cette étude fournit quelques recommandations nécessaires pour utiliser les membrures TPRFB non armées, comme l'utilisation d’un béton expansif dans le remplissage du tube en PRF, afin d’éviter toute possibilité de retrait du béton, particulièrement sous charge de flexion. De plus, l’utilisation d’un revêtement de sable ou toute autre technique pouvant améliorer l’adhérence entre le noyau en béton et le tube en PRF est nécessaire sous charge de flexion. Ces recommandations sont exigées pour réussir l'action composite complète dans les membrures TPRFB en béton non-armé.
Les résultats de la deuxième partie ont montré que la connexion proposée transfère avec succès le moment de la poutre TPRFB vers la colonne TPRFB. La profondeur optimale requise pour induire une rupture par flexion de la poutre TPRFB est évaluée à environ deux fois la profondeur de la poutre TPRFB (c'est-à-dire deux fois la profondeur du tube en PRF de la poutre). Le modèle théorique proposé prédit avec succès et une bonne précision la résistance à la flexion de la poutre TPRFB, le mode de rupture, la profondeur optimale d’ancrage et l'effet de la profondeur encastrée sur la capacité en flexion de la connexion.Abstract: In the last two decades, researchers reported that concrete-filled FRP tube (CFFT) members have a better performance compared to conventional reinforced concrete members (beams or columns) in terms of strength, ductility, and durability in corrosive environments. This superior performance of CFFT returns to many reasons like, the FRP tube provides a longitudinal and transverse reinforcement, serve as a permanent lightweight formwork, and confine the concrete core which increases the concrete compressive strength and provides more ductility for the CFFT structural members. All these advantages provide CFFTs the ability to be used in many structure field applications like marine piles, bridges girders and columns, poles, and overhead sign structures. Protracted studies are conducted to investigate and evaluate the behavior of CFFT structural members under different type of loading, lateral monotonic or cyclic loads with or without axial loads. Nevertheless, rare researches were investigated the effect of the bond between the concrete core and the FRP tube on the flexural capacity of the CFFT member. The size effect of the FRP tube also needs to be examined. In addition, this thesis also aimed at answering another question: how to connect CFFT beam to CFFT column? up-to-date, all the previous researches in CFFT domain are studied CFFT beams or CFFT column and there are no previous trials to establish a CFFT beam-column connection. This thesis is divided into two parts. The first part investigates the interfacial bond performance between the FRP tube and the concrete core. Full-scale specimens were tested under lateral cyclic load. An innovative approach was proposed to assess the bond between the FRP tube and the concrete core by using embedded concrete strain gauges into the concrete core, to study the composite action between the FRP tube and its concrete core effect on the flexural behavior of CFFT. In addition, contribution of sand coating bond enhancer on improving the bond between the FRP tube and the concrete core is also investigated. Four full scale circular CFFT columns were tested in the first part under lateral cyclic load only to study the bond between the FRP tube and the concrete core, sand-coating effect (two columns have sand-coating and the other two are without) and the tube-size effect (two columns have 305 mm diameter and the other two have 406 mm diameter) on the flexural behaviour of the CFFT members. An analytical model was developed to predict the flexural behavior of the fully bonded CFFT members. This model was established based on layer-by-layer section analysis. The model predicted the failure mode, flexural capacity, curvature, and compression zone depth. While the second part focused on development and design of a new assembly of CFFT beam-column connection for rectangular CFFT members. The new connection has been studied experimentally, and a new analytical model to predict its structural capacity is proposed. This part also proposes design equations and analytical study to calculate the flexural capacity of rectangular CFFT beams as well as the required embedded depth to achieve its flexural capacity. Four rectangular CFFT beam-column connections were designed, manufactured, assemblage and tested under monotonic load. The first part results illustrated that the bond significantly influences the flexural strength and stiffness of the CFFT column. Using sand-coating as a bond enhancer improved the bond between the FRP tube and the concrete core, minimize the adverse effect of the interface gap, and increased the flexural capacity and stiffness of tested CFFT columns. This study provides some recommendations required to use unreinforced CFFT members to attain its structural benefits like using non-shrink concrete in the filling the FRP tube is suggested to eliminate generating of the interface gap. In addition, sand-coating or any comparable bond enhancer should be utilized to improve the interfacial bond between the concrete core and the FRP tube. These recommendations are demanded to realize the full composite action in the unreinforced CFFT members. The proposed analytical model estimated the failure mode, flexural capacity, curvature, and compression zone depth with a good agreement comparing by the experimental results. The second part results showed that the proposed connection successfully transferred the moment from the CFFT beam to the CFFT column. The optimal embedded depth required to induce flexural failure of the CFFT beam is two times the CFFT beam depth (i.e. FRP tube depth). The proposed theoretical model successfully predicted the flexural strength of the CFFT beam, the failure mode, the optimal embedded depth, and the effect of the embedded depth on the flexural capacity of the connection with high accuracy
- …
