Numerical modeling of the pure-concrete beams reinforced with PBO FRCM composite systems

The demand towards the rehabilitation of the civil structures has been grown due to the unpracticality of demolishing the existing buildings, and also, the enhancement in the knowledge of the structural engineering field and the consequent precise measurements for the increase of the overall strength and stability. Concrete structures are also no exeption of this issue and thus, there is an enourmous trend towards the repair of such elements. An important, yet less regarded type of concrete structural elements are the pure-concrete ones, where this term is refered to concrete elements that possess too few or no amount of internal reinforcement. Since concret is appropriately strong in compression, but weaker (almost 10 times) in tension, and due to the fact that the pure-concret beams are not reinforced internally, they need to be enhanced in terms of their strength by the means of the external reinforcement systems. Composite materials have been regarded as a perfect choice for the external reinforcement of pure-concrete structural elements. A traditional type of composite materials is the FRP or Fiber Reinforced Polymer system, that in summary, is composed of a polymeric matrix, usually an epoxy resin, with fibers embedded inside it. Due to numerous practical issues, such as surface compatibility, enviromental degredation, difference in thermal expansion coefficient, etc. the polymeric matrix has been considered as a non-perfect choice for concrete elements, and hence, engineers have been struggled to replace it. Cement-based matrices, due to their nature, are a novel choice for the application on concrete structures. Therefore, the cement-based matrices have been reinforced with fibers and have formed a distinct category of composite systems called FRCM, Fiber Reinforced Cementitious Material. The present paper represents a state of the art numerical analysis of the PBO fiber FRCM materials applied on pure-concrete beams. These numerical simulations are based on a set of experimental tests reported in [3]. In particular, they are divided in two main categories of single-lap direct-shear and three-point-bending simulations, where the former is comprised of two separate set of analysis, namely, the two-layer- and four-layer reinforced beams; the latter possesses the same two sub-categories with an additional one related to the control beam test. In other words, the main aim of this paper is to stablish a computer-based numerical simulation basis, specially via the finite element package of Abaqus/CAE software, that allows the engineers to predict with a high level of precision the mechanical behavior of pure-concrete beams reinforced with FRCM systems.

La richiesta di risanamento delle strutture civili è cresciuta a causa della non praticità della demolizione degli edifici esistenti, nonché del miglioramento delle conoscenze nel campo dell'ingegneria strutturale e delle conseguenti misurazioni precise per l'aumento della resistenza e della stabilità complessive. Anche le strutture in cemento non sono un'eccezione di questo problema e, quindi, c'è una tendenza entusiasta verso la riparazione di tali elementi. Un tipo importante, ma meno considerato, di elementi strutturali concreti sono quelli in puro cemento, in cui questo termine si riferisce a elementi concreti che possiedono un rinforzo interno troppo limitato o assente. Poiché il calcestruzzo è adeguatamente forte nella compressione, ma più debole (quasi 10 volte) nella tensione, e poiché i raggi in puro cemento non sono rinforzati internamente, devono essere migliorati in termini di forza mediante l'esterno sistemi di rinforzo. I materiali compositi sono stati considerati una scelta perfetta per il rinforzo esterno di elementi strutturali in puro cemento. Un tipo tradizionale di materiali compositi è il sistema FRP o polimero rinforzato con fibre, che in sintesi è composto da una matrice polimerica, generalmente una resina epossidica, con fibre incorporate al suo interno. A causa di numerosi problemi pratici, come la compatibilità superficiale, la degradazione ambientale, la differenza nel coefficiente di dilatazione termica, ecc., La matrice polimerica è stata considerata una scelta non perfetta per gli elementi in calcestruzzo e, quindi, gli ingegneri hanno avuto difficoltà a sostituirlo. Le matrici a base di cemento, per la loro natura, sono una nuova scelta per l'applicazione su strutture in calcestruzzo. Pertanto, le matrici a base di cemento sono state rinforzate con fibre e hanno formato una distinta categoria di sistemi compositi chiamati FRCM, materiale cementizio rinforzato con fibre. Il presente documento rappresenta un'analisi numerica all'avanguardia dei materiali FRCM in fibra di PBO applicati su travi di cemento puro. Queste simulazioni numeriche si basano su una serie di test sperimentali riportati in [3]. In particolare, sono divisi in due categorie principali di simulazioni di taglio diretto a un giro e di piegatura a tre punti, in cui la prima comprende due serie separate di analisi, vale a dire le travi rinforzate a due e quattro strati ; quest'ultima possiede le stesse due sottocategorie con una aggiuntiva correlata al test del raggio di controllo. In altre parole, lo scopo principale di questo documento è di stabilire una base di simulazione numerica basata su computer, in particolare tramite il pacchetto di elementi finiti del software Abaqus / CAE, che consente agli ingegneri di prevedere con un alto livello di precisione il comportamento meccanico del puro travi in cemento armato rinforzate con sistemi FRCM.