Forsterkning av betongbjelker ved bruk av basalt fiberarmert polynomer (BFRP)

Abstract

Forsterkning av betongkonstruksjoner med karbonfiber er et veldig nytt konsept som har mangel på vesentlig forskning samtidig som det er prospektivt og kan løse mange av dagens ingeniørtekniske problemer. For at bruken av karbonfiber skal øke i en bransje som sjeldent er åpent for noe nytt kreves det mer forskning. Denne masteroppgaven handler derfor om armerte betongkonstruksjoner som forsterkes av karbonfiberkompositt som limes til den utvendige delen av konstruksjonen. I arbeidet ble ABAQUS brukt for å simulere forsterkning av RC-bjelker med BFRP. Det ble utført tre forskjellige simuleringer hvor målet var å finne hvilke fiberretning som ga den mest optimale løsningen. Ut ifra simuleringene ble det oppdaget at RC-bjelker forsterket med BFRP-komposittene hadde en sterkere motstandsdyktighet mot skjærkrefter. En av de mest effektive metodene som kan brukes til å øke kapasiteten til forsterkede betongsøyler er å forsterke dem med FRP (fiber-reinforced polymers). I de siste tiårene har FRP i økende grad blitt brukt som et forsterkningsmateriale. Bruken av FRP har vist stor allsidighet og stor forbedring i de mekaniske egenskapene til bjelker. Det har allerede vært forsket en stor del på forskjellige bøyleforhold. Kombinasjonen av betong og FRP har blitt forsket på betydelig mye, til tross for dette er det fortsatt plass for mer forskning i dette feltet. Grunnen til dette er at man kan gå frem på mange forskjellige måter når man skal designe FRP og forholdene mellom hvert lag FRP. Derfor blir hovedmålet med denne oppgaven å forske på hvordan bjelkene oppfører seg mens det blir utsatt for skjærkrefter og nedbøyning og hvordan atferden til bjelkene forandrer seg under forskjellige plasseringsordninger av FRP, forskjellig forsterkning i henhold til skjærkrefter og forskjellig numerisk modellering av FRP komposittene. Videre ble det laget 3-dimensjonale modeller i programvaren ABAQUS for å kunne vurdere hvordan de forskjellige løsningene påvirker en forsterket betongbjelke. Oppgaven er et viktig bidrag til den nåværende viten om styrkningen og repareringen av forsterkede betongelementer. Ferdigstøpte betongbjelker er modellert som følge av eldre lover og forskrifter som ikke kan måles opp til dagens standarder. Hovedgrunnen er at tidligere standarder ikke oppfyller dagens krav om akseptabel aksialforsterkning, noe som fører til svakere betongbjelker som er mer utsatt for sprøe skjærbrudd under dynamiske laster. Et viktig prinsipp under modelleringen av forsterkede betongbjelker etter dagens lover og standarder er viktigheten av at dagens betongbjelker bør modelleres til å ha mindre sprøhet og mer duktilitet enn det tidligere standarder tillot. Videre er det viktig å forstå hvordan betongbjelker endrer atferd under påvirkningen av skjærkrefter og hvordan bjelkens dimensjoner og forsterkning kan påvirke denne atferden. Dette er da det som kommer til å vektlegges mest i denne oppgaven.

The strengthening of concrete constructions using carbon-fiber is a very new concept that has a lack of considerable amount of research, and at the same time is prospective and can solve many of today’s engineering problems. For the use of carbon-fiber to increase in an industry that is rarely open to new things, more research is required. This masters-thesis is therefore written about strengthened concrete structures strengthened by carbon-fiber composites that is glued to the exterior part of the construction. ABAQUS was used to simulate reinforcement of RC beams with BFRP. Three different simulations were performed with the goal of finding the fiber direction resulting in the most optimal solution. From the simulations, it was discovered that RC-beams strengthened with the BFRP-composites had a greater resistance against shear forces. One of the most effective methods used to increase the load bearing capacity of strengthened concrete columns is to strengthen them with FRP (fiber-reinforced polymers). The last few decades have seen an increase in the use of FRP as a strengthening material. The use of FRP has been proven to be a versatile material with an improvement in its mechanical properties. It has already been conducted a substantial amount of research on different stirrup ratios. Whilst the combination of concrete and FRP has been the subject of extensive research, it is still open for further studying. The reason being that there are a lot of different advances on how to design FRP and the interactive conditions between each composite layer. Therefore, the main intention of this thesis is to study how the beams behave as they are subjected to shear forces and displacements, and how this behavior differs with the different arrangements of FRP, different shear reinforcement and the different numerical modelling of the FRP composites. Furthermore, to be able to assess how different parameters impact a concentrically loaded reinforced concrete beam, 3D finite element models have been created in the ABAQUS software. The thesis is an important contribution to the standing knowledge on the strengthening and reparation of strengthened concrete-elements. Precast concrete beams are modelled following old laws that cannot be measured up to today’s standards. The main reason being that older standards do not meet today’s standards regarding acceptable strengthening in the axial direction, this leads to weaker concrete-beams that are more prone to brittle shear failures when being exposed to dynamic loads. An important principle used when modelling strengthened concrete-beams following today’s laws and standards is that it is important that today’s concrete-beams get modelled such that they have less brittleness and a higher ductility than what earlier standards allowed. It is also important to understand how the concrete-beams behavior changes when being exposed to shear forces and how its dimensions and strengthening can influence this behavior. This is what will be mostly emphasized in this thesis.