Influence of geometry of composite laminates in flexural behavior of reinforced concrete beams and slabs

The present work is subdivided to pursue two main goals: an experimental study on six reinforced concrete (RC) beams and four RC slabs externally reinforced with different geometries of carbon fiber reinforced polymers (CFRP) laminates is presented to investigate the influence of the composite configuration in the structural behavior of RC members; in addition, numerical models are developed to simulate the behavior of the fiber reinforced RC elements. Experimental work consists in flexural three point bending tests of 1.5 m long, under-reinforced concrete members. Seven specimens are strengthened with CFRP sheets, while three RC members are used as benchmark. The parameters under evaluation are width and thickness of the composite material, and the concrete strength. The analysis is made in terms of failure modes, ultimate capacity, yield load, ductility and ultimate displacements, bending stiffness, and strain distribution. American Code ACI 440.2R and Italian Code CNR DT 200 are considered for a comparison with the experimental results. The numerical models are developed with Abaqus/CAE 6.10 software under two different assumptions: perfect adhesion between CFRP and concrete and relative slippage between the two surfaces. Two different failure modes are observed in the fiber reinforced specimens, depending on the relative width between the CFRP material and the RC member. The major increments in flexural strength are recorded for the case of maximum amount of CFRP and maximum bonded area. Ultimate deflection and ductility decrease when the amount of CFRP increases and, keeping the total area constant, when the number of plies increases. In conclusion, while ACI 440.2R provides a good approximation in terms of ultimate loads, CNR DT 200 is more conservative. Finite element analyses show a good accuracy with the experimental evidence in terms of load deflection diagrams and crack distribution.

Il presente studio è finalizzato a perseguire due obiettivi principali: in primo luogo viene presentata una campagna sperimentale su sei travi e quattro piastre in calcestruzzo armato fibrorinforzate esternamente con strisce di CFRP (carbon fiber reinforced polymers) per indagare l’influenza della geometria del composito nella risposta strutturale degli elementi; inoltre, sono sviluppati dei modelli numerici per simulare il comportamento di elementi in calcestruzzo armato fibrorinforzati. La campagna sperimentale consiste in prove a flessione su tre punti di elementi in calcestruzzo armato avente lunghezza di 1.5 m e sottorinforzati nel quantitativo di armatura longitudinale. Sette elementi sono rinforzati con strisce di CFRP, mentre tre elementi sono presi come riferimento. I parametri considerati sono la larghezza e lo spessore di CFRP e la resistenza del calcestruzzo. I risultati sono analizzati in termini di modalità di rottura, capacità portante, carico di snervamento, duttilità e spostamento ultimo, rigidezza flessionale e deformazioni. Inoltre, la normativa americana ACI 440.2R e quella italiana CNR DT 200 sono utilizzate per un confronto con i risultati sperimentali. Due modelli numerici sono sviluppati con il software Abaqus CAE/6.10 secondo le due diverse ipotesi: perfetta aderenza tra CFRP e calcestruzzo e presenza di scorrimento tra le due superfici. Negli elementi in calcestruzzo armato fibrorinforzati sono osservate due modalità di rottura a seconda della larghezza relativa tra la striscia di CFRP e l’elemento di calcestruzzo. L’incremento maggiore di capacità ultima è osservato nel caso di quantitativo massimo di CFRP e massima area di contatto CFRP-calcestruzzo. Lo spostamento ultimo e la duttilità decrescono all’aumentare della quantità di CFRP applicato e, a parità di area di fibrorinforzo, decrescono all’aumentare del numero di strati. L’applicazione della normativa ACI 440.2R conduce ad una buona approssimazione in termine di carico ultimo, mentre la normativa CNR DT 200 è più conservativa. Le analisi ad elementi finiti mostrano una buona accuratezza con i risultati sperimentali in termini di curva carico spostamento e distribuzione delle fessure.