Study of hybrid FRP-FRCM superficial structural elements

Abstract

(English) The most common composite materials for strengthening building structures are divided into two dif ferent types based on the matrix’s composition, organics (polymers) or inorganics (cement, lime). The hybrid structures presented here in for the first time are made of two components; fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composite and pultruded fib er reinforced polymer (FRP) profiles. The main idea of the experimental research was to characterize the individual materials and the structural behavior of FRP profiles FRCM hybrid superficial elements. The experimental campaigns and numerical studi es consist of three parts; materials individual characterization, connection between materials (FRP FRP, FRP Mesh and Mesh Mortar) and characterization of the full hybrid superficial elements using the best combination from the previous tests. In terms of FRP FRP connection tests, the mechanical behavior of adhesively and bolted joints for pultruded Glass FRP (GFRP) profiles has been experimentally addressed and numerically modeled. A total of nine specimens with different configurations (bolted joints, adh esive joints, web joints, web and flange joints, and two different angles between profiles) were fabricated and tested, extending the available published information. The novelty of the research is in the direct comparison of joint technologies (bolted vs. adhesive), joint configuration (web vs. flange + web) and angles between profiles in a comprehensive way. Plates for flange joints were fabricated with carbon fiber FRP. Experimental results indicate that adding the bolted flange connection allowed for a slight increase of the load bearing capacity (up to 15%) but a significant increase in the stiffness (between 2 and 7 times). Adhesively connections only reached 25% of the expected shear strength according to the adhesive producer if comparing the numerically calculated shear strength at the failure time with the shear strength capacity of the adhesive. In FR P Mesh connection tests part, four specimens with different materials (resin connection, bolted connection) were made and tested. Moreover, the effect of high temperature was evaluated. To sum up, the best connector is resin connection and high temperature has low effect on the resistance of the specimen with resin connector. Regarding to the Mesh Mortar connection tests, four specimens were made with FRCM (2 types of mortar) using glass fiber mesh and tested under tensile configuration in order to investig ate the behavior of the mesh and mortar. Glass fiber mesh led to increase ultimate load and strain. Two types of mortar were used; an autolevelling one and a repair one. Axton mortar had better behavior under tensile test in comparison with Sika. The main idea of full hybrid panels was to extend this approach by replacing the concrete with a fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) composite, resulting in a combination of composite materials. The main aim was to characterize the structural behavior of fiber reinforced polymer (FRP) profiles and FRCM hybrid superficial elements. Two different prototypes of the hybrid superficial structural typology were tested to cover bidimensional ( HP1) and three dimensional (HP2) application cases of the proposed technology. A finite element model was implemented, calibrated, and validated by comparing numerical data with experimental results of the two prototypes. The output was a validated model that correctly captured the characteristic response of the proposed technology, which consisted of changing the structural response from a stiff plat e configuration to a membrane type due to cracking of the FRCM composite part of the full solution. The suggested numerical model adequately reflected the experimental response and proved valuable for understanding and explaining the resistive processes es tablished along this complicated FRP FRCM hybrid structure.

(Español) Los materiales compuestos para el refuerzo en construcción se dividen según la composición de la matriz en orgánicos (polímeros) e inorgánicos (cemento, cal). El uso de compuestos con matriz orgánica para producir estructuras híbridas junto con el hormigón se ha incrementado. Las estructuras híbridas que se presentan aquí por primera vez están compuestas a su vez por dos materiales compuestos: una matriz cementítica reforzada con tejidos (Fabric Reinforced Cementitious Matrix – FRCM) y perfiles pultrusionados de polímero reforzado con fibras (Fibre Reinforced Polymer – FRP), y se aspira a aprovechar los beneficios de ambos. El principal objetivo de la investigación experimental era caracterizar los materiales individualmente, su interacción y el comportamiento estructural de los elementos superficiales híbridos de perfiles de FRP y FRCM. Estos tres aspectos se cubren tanto de forma experimental como mediante estudios de simulación numérica. En particular, respeto a los ensayos de la conexión FRP-FRP, la novedad de la investigación en este punto está en la comparación directa de diferentes tecnologías de unión (atornillada vs. adhesiva), configuraciones de unión (alma vs. alma + alas) y ángulos entre perfiles de un modo exhaustivo. Los resultados experimentales indican que añadir la unión atornillada en el ala supone un gran aumento de la rigidez (de 2 a 7 veces). El modelo numérico 3D implementado muestra un elevado grado de similitud, especialmente en lo relativo a la rigidez de la unión, con los resultados experimentales. Sin embargo, el tipo de fallo local observado experimentalmente no es automáticamente representado por el modelo numérico. En el apartado sobre la conexión FRP-malla, cuatro especímenes con diferentes materiales (unión adhesiva con resina y unión atornillada) se fabricaron y ensayaron. Además, el efecto de las altas temperaturas también fue estudiado. En resumen, la mejor conexión resultó ser la adhesiva mediante resina y las elevadas temperaturas probaron no tener un efecto significativo. En relación a los ensayos de conexión malla-mortero, se fabricaron especímenes de FRCM de fibra de vidrio y de carbono (2 tipos de mortero) y se ensayaron bajo una configuración de tracción. La malla de fibra de vidrio permitió incrementar la carga y deformación respecto la alternativa de carbono. De los dos tipos de mortero usados (autonivelante y de reparación), el autonivelante demostró un mejor comportamiento a tracción como resultado de su mejor proceso de producción. En todos los casos de FRCM se detectó un efecto significativo de la exposición a elevadas temperaturas, resultado también novedoso de la investigación. Caracterizar el comportamiento estructural de los paneles híbridos fue el principal objetivo experimental. Dos prototipos de este sistema fueron fabricados y ensayados para cubrir los casos de aplicación bidimensional y tridimensional. Después de la fisuración del mortero, los resultados experimentales mostraron una respuesta dúctil y una elevada capacidad mecánica. El modelo numérico capturaba la respuesta característica de la tecnología propuesta: cambio de comportamiento de un tipo placa rígida a una configuración de tipo membrana debido a la fisuración del compuesto FRCM en la solución completa. Esta herramienta demostró ser valiosa para el conocimiento y la explicación de los mecanismos resistentes desarrollados por la compleja estructura híbrida de FRP-FRCM. En particular, los modelos capturan la rigidez del sistema con un error menor al 10%. En el caso del prototipo 3D (HP2) el modelo permitiría reproducir el ensayo más allá de las evidencias experimentales limitadas por la capacidad de aplicar desplazamientos durante el ensayo.