Bond of GFRP bars and concrete: from local to structural mechanical behaviour

Constructing using newly developed materials presents new wave of modern aspirations in civil engineering society. The material that is extensively used as reinforcement in new concrete struc-tures is certainly the FRP (Fibre Reinforced Polymer). As a reinforcement material, GFRP (Glass Fibre Reinforced Polymer) finds increasing application in reinforced concrete structures due to its good quality/cost ratio. The main advantages of using GFRP reinforcement are: their non-corrosive and non-conductive characteristics and high strength-to-weight ratio, as well as their magnetic transparency and high fatigue endurance (GangaRao, et al., 2007.). GFRP bars proved their superiority or, at least, great competency in the market as modern building material with many advantages. Since first vanguard applications in last decades of XX century, the FRP reinforce-ment is nowadays present in many practical design guidelines, endeavouring to take even more share in global use of reinforcement for concrete structures. Still, these guidelines are incomplete or very conservative due to insufficient knowledge concerning certain issues. One of the most im-portant issues in RC (Reinforced Concrete) design is the bond between concrete and reinforcing bar. It shall provide secure and balanced transfer of forces from reinforcement to surrounding concrete (CEN, 2004). Although much research effort is spent on proper understanding the charac-teristics of FRP bar/concrete bond, this area is still treated with great attention, due to many unre-solved aspects. Beside bond characteristics under quasi-static loading, focus needs to be put on the durability of bond as well. Having in mind high expectations of FRP RC structures in terms of long life span, it becomes clear that their long-term performance has the leading role in construc-tion and design. Bond durability aspects of interest are its behaviour under sustained load (creep), cyclic load (fatigue), thermo-mechanical load (heating and fire), moisture environment, etc. The bond action is important for RC structural response and it is typically considered in engineer-ing calculations in two ways. First is assuming perfect bond, i.e. no slip occurrence between rein-forcing bar and concrete. This approximation is usually overcome by inclusion of tension stiffen-ing effect that is built in some constitutive models of concrete or bar in tension. Second way is introducing the bond slip effect directly in the calculation, which in turn allows the use of plain concrete and bar constitutive models. Focus of this thesis is put on the second approach that was implemented in this work. This approach also enables the introduction of another mechanism pre-sent in FRP RC structures - debonding of the bar from the surrounding concrete. In the experimental part, this thesis is dealing with the static and fatigue bond behaviour between GFRP bars and concrete. The experimental research is based on centric and eccentric pull-out tests. It brings some new clarifications about GFRP bar/concrete debonding process under static loading and the one of few studies on this bond performance under high-cycle fatigue loading. The benefits of using this type of reinforcement with small concrete cover are emphasized for both types of loading. Comparison of the experimental static bond strength with the predictions of available design guidelines showed good match in case of predictions that consider embedded length of the bar. Numerical part of the thesis is dedicated to simulation of debonding process under static and thermo-mechanical loading. The model based on FEM (Finite Element Method) was created to simulate the pull-out experiments. Subsequently, developed procedure was incor-porated into simulation of FRP RC members’ behaviour under static loading, using the local bond-slip models obtained from the experiments. This methodology showed better performance com-paring to the perfect-bond model and good potential for the use in future.

Le costruzioni di nuova concezione necessitano di materiali alternativi per risolvere problematiche con risvolti socio-economici. Nelle nuove strutture in calcestruzzo, un'alternativa al classico rinfor-zo in acciaio sono sicuramente i materiali plastici rinforzati con fibre lunghe (FRP - Fibre Reinfor-ced Polymer). Tra questi, le barre con rinforzo in fibre di vetro (GFRP - Glass Fibre Reinforced Po-lymer) trovano un crescente interesse nell'applicazione in strutture in conglomerato cementizio ar-mato grazie all'ottimo rapporto qualità / costo. I principali vantaggi delle barre GFRP sono: l'as-senza di corrosive e di conduttività elettrica, l'elevato rapporto resistenza / peso, nonché la loro trasparenza magnetica e resistenza alla fatica. Le barre GFRP hanno dimostrato la loro superiorità o, quantomeno, una buona alternativa nel mercato delle costruzioni, con diverse applicazioni negli ultimi decenni del XX secolo. Il rinforzo in FRP è oggi considerato in numerose linee guida di pro-gettazione. Tuttavia, queste linee guida sono incomplete o molto conservative a causa dell'insuffi-ciente conoscenza di alcuni aspetti progettuali. Uno di questi è il legame tra conglomerato cemen-tizio e barra di rinforzo. Sebbene diverse ricerche sono state dedicate alla comprensione dei mec-canismi di trasferimento delle sollecitazioni tra conglomerato e barra di rinforzo, molti aspetti sono ancora da chiarire. Oltre alle caratteristiche del legame sotto carico quasi statico, è necessario comprendere anche la durabilità del legame quando soggetto a carichi ripetuti nel tempo (fatica). Quest'ultimo è un aspetto fondamentale per le prestazioni a lungo termine delle costruzioni. Nella progettazione il legame tra barra e conglomerato cementizio viene generalmente considerato perfetto, vale a dire l'assenza di possibilità di distacco tra barra e conglomerato. Questa appros-simazione viene solitamente superata includendo l'effetto di irrigidimento in trazione incluso in al-cuni modelli costitutivi dei materiali. In alternativa è possibile considerare il distacco tra barra e conglomerato, e quindi adottare modelli costitutivi semplificati per il conglomerato. Quest'ultima via progettuale è l'oggetto di questa tesi. La tesi ha due parti: la prima sperimentale, la seconda di simulazione numerica. La ricerca speri-mentale ha considerato prove meccaniche di pull-out eccentrico, per osservare e comprendere i meccanismi di danneggiamento tra barra GFRP e conglomerato sotto carico statico e carico cicli-co (fatica). Lo studio numerico è stato dedicato alla simulazione del processo di distacco tra barra GFRP e conglomerato sotto carico statico e termomeccanico. Nelle simulazioni, basate sul meto-do agli elementi finiti (FEM - Finite Element Method), è stato considerato un modello di interfaccia per introdurre il distacco tra barra e conglomerato osservato inizialmente nelle prove sperimentali di pull-out. Successivamente, la modellazione ha riguardato la simulazione del comportamento di componenti strutturali in conglomerato cementizio rinforzato con barre GFRP sotto carico statico. La metodologia proposta ha dimostrato la necessità di considerare il legame barra-conglomerato e le buone potenziale per l'uso futuro nell'analisi di tali strutture.