As part of a multi-university research program funded by NSF, a comprehensive experimental and analytical study of seismic behavior of hybrid fiber reinforced polymer (FRP)-concrete column is presented in this dissertation. Experimental investigation includes cyclic tests of six large-scale concrete-filled FRP tube (CFFT) and RC columns followed by monotonic flexural tests, a nondestructive evaluation of damage using ultrasonic pulse velocity in between the two test sets and tension tests of sixty-five FRP coupons. Two analytical models using ANSYS and OpenSees were developed and favorably verified against both cyclic and monotonic flexural tests. The results of the two methods were compared. A parametric study was also carried out to investigate the effect of three main parameters on primary seismic response measures. The responses of typical CFFT columns to three representative earthquake records were also investigated. The study shows that only specimens with carbon FRP cracked, whereas specimens with glass or hybrid FRP did not show any visible cracks throughout cyclic tests. Further monotonic flexural tests showed that carbon specimens both experienced flexural cracks in tension and crumpling in compression. Glass or hybrid specimens, on the other hand, all showed local buckling of FRP tubes. Compared with conventional RC columns, CFFT column possesses higher flexural strength and energy dissipation with an extended plastic hinge region. Among all CFFT columns, the hybrid lay-up demonstrated the highest flexural strength and initial stiffness, mainly because of its high reinforcement index and FRP/concrete stiffness ratio, respectively. Moreover, at the same drift ratio, the hybrid lay-up was also considered as the best in term of energy dissipation. Specimens with glassfiber tubes, on the other hand, exhibited the highest ductility due to better flexibility of glass FRP composites. Furthermore, ductility of CFFTs showed a strong correlation with the rupture strain of FRP. Parametric study further showed that different FRP architecture and rebar types may lead to different failure modes for CFFT columns. Transient analysis of strong ground motions showed that the column with off-axis nonlinear filament-wound glass FRP tube exhibited a superior seismic performance to all other CFFTs. Moreover, higher FRP reinforcement ratios may lead to a brittle system failure, while a well-engineered FRP reinforcement configuration may significantly enhance the seismic performance of CFFT columns.

Abstract: Recently, fiber-reinforced polymer (FRP) composite materials have been used in the field of civil engineering constructions especially in corrosive environments. They can be used as internal reinforcement for beams, slabs, and pavements, or as external reinforcement for rehabilitation and strengthening different structures. One of their innovative applications is the concrete-filled FRP tubes (CFFTs) which are becoming an alternative for different structural members such as piles, columns, bridge girders, and bridge piers due to their high performance and durability. In such integrated systems, the FRP tubes act as stay-in-place forms, protective jackets for the embedded concrete and steel, and as external reinforcement in the primary and secondary direction of the structural member. Extensive research was developed on CFFTs as columns, but comparatively limited research was carried out on CFFTs as beams especially those with rectangular sections. The circular sections exhibit magnificent confinement efficiency in case of columns. However, the rectangular sections have higher moment of inertia and flexural stiffness to resist the applied loads and deformations in case of beams. Moreover, the construction and architectural requirements prefer the rectangular section of beams, rather than the circular beams, due to its stability during installation and its workability during connecting to other structural members like slabs and columns. Also, CFFTs that are completely filled with concrete are not optimal for applications governed by pure bending, because the excess weight of the cracked concrete below the neutral axis may increase the transportation and installation cost. This dissertation presents experimental and theoretical investigations on the flexural behaviour of rectangular CFFT beams with steel rebar. These hybrid FRP-concrete-steel tubular rectangular beams contain outer rectangular filament-wound glass-FRP (GFRP) tubes to increase the sectional moment of inertia, to provide flexural and shear reinforcement, and to protect the inner structural elements (concrete and steel) against corrosion. The outer tubes were fully-or-partially filled with concrete and were reinforced with steel rebar at the tension side only. Inner hollow circular or square filament-wound GFRP tubes, shifted toward the tension zone, were provided inside the CFFT beam to eliminate the excess weight of the cracked concrete at the tension side, to confine actively the concrete at the compression side and to act as reinforcement at the tension side. The surfaces of tubes adjacent to concrete were roughened by sand coating to fulfill the full composite action of such hybrid section. Several test variables were chosen to investigate the effect of the outer and inner tubes thickness, fibers laminates, and shape on the flexural behaviour of such hybrid CFFT beams. To fulfil the objectives of the study, twenty-four full-scale beam specimens, 3200 mm long and 305×406 mm2 cross section, were tested under a four-point bending load. These specimens include eight fully-CFFT beams with wide range of tube thickness of 3.4 mm to 14.2 mm, fourteen partially-CFFT beams with different outer and inner tubes configurations, and two conventional steel-reinforced concrete (RC) beams as control specimens. The results indicate outstanding performance of the rectangular fully and partially-CFFT beams in terms of strength-to-weight ratio and ductility compared to the RC beams. The fully-CFFT beams with small tube thickness failed in tension by axial rupture of fibers at the tension side. While, the fully-CFFT beams with big tube thickness failed in compression by outward buckling of the outer tube compression flange with warning signs. The results indicate also that the flexural strength of the fully-CFFT beams was ascending nonlinearly with increasing the tubes thickness until a certain optimum limit. This limit was evaluated to define under-and-over-reinforced CFFT sections, and consequently to define the tension and compression failure of fully-CFFT beams, respectively. The inner hollow tubes act positively in reinforcing the partially-CFFT beams and confining the concrete core at the compression side. The strength-to-weight ratio of the partially-CFFT beams attained higher values than that of the corresponding fully-CFFT beams. Generally, the partially-CFFT beams failed gradually in compression due to outward buckling of the outer tube compression flange with signs of confining the concrete core at the compression side. The inner circular voids pronounced better performance than the square inner voids, however they have the same cross sectional area and fiber laminates. Theoretical section analysis based on strain compatibility/equilibrium has been developed to predict the moment-curvature response of the fully-CFFT section addressing the confinement and tension stiffening of concrete. The analytical results match well the experimental results in terms of moment, deflection, strains, and neutral axis responses. In addition, analytical investigation was conducted to examine the validity of the North American design codes provisions for predicting the deflection response of fully and partially-CFFT beams. Based on these investigations, a new power and assumptions were proposed to Branson’s equation to predict well the effective moment of inertia of the CFFT section. These assumptions consider the effect of the GFRP tube strength, thickness and configuration, in addition to the steel reinforcement ratio. The proposed equations predict well the deflection in the pre-yielding and post-yielding stages of the hybrid FRP-concrete-steel CFFT rectangular beams. / Résumé: Les matériaux composites en polymère renforcé de fibres (PRF) ont récemment été utilisés dans le domaine des constructions de génie civil, en particulier dans les environnements corrosifs. Elles peuvent être utilisées comme une armature interne pour des poutres, dalles et les trottoirs, ou comme une armature externe pour la réhabilitation et le renforcement de différentes structures. L'une de leurs applications novatrices est les tubes de polymères renforcés de fibres remplis de béton (TPFRB ) qui sont en train de devenir une alternative pour divers éléments structuraux tels que les pieux, les colonnes, les poutres et les piliers de ponts en raison de leur haute performance et durabilité. Dans de tels systèmes intégrés, les tubes PRF agissent comme un coffrage permanent, une chemise protectrice pour le béton et l'acier encastrés, et comme une armature externe dans les directions longitudinale et transversale de l'élément structural. La recherche a été concentrée sur les TPRFB comme des colonnes, mais très peu de recherche a été effectué les TPRFB comme des poutres particulièrement celles à section rectangulaire. La section circulaire présente une efficacité de confinement efficace en cas de colonnes. Toutefois, la section rectangulaire a un moment d'inertie plus élevé et une rigidité flexionnelle plus efficace pour résister les charges appliquées et les déformations dans le cas des poutres. Par ailleurs, les travaux de construction et les exigences architecturales préfèrent la section rectangulaire des poutres, plutôt que les poutres circulaires, en raison de sa stabilité pendant l'installation et sa maniabilité lors de la connexion à d'autres membres structuraux comme les dalles et les colonnes. En outre, les poutres TPRFB qui sont complètement remplis de béton ne sont pas optimales pour les applications contrôlées par la flexion pure, puisque le béton fissuré en dessous de l'axe neutre ne contribue pas à la résistance et augmente le poids propre et les coûts de transport et d'installation. Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur le comportement en flexion de poutres rectangulaires (TPRFB) en béton armé. Ces poutres rectangulaires tubulaires hybrides en PRF-béton-acier sont composées de tubes rectangulaires externes fabriquées par enroulement filamentaire. Ces tubes fournissent un renforcement de flexion et de cisaillement; et protègent le béton armé contre la corrosion. Les poutres peuvent être soient entièrement ou partiellement remplies de béton. Des tubes intérieurs ( de section circulaires ou carrés) en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV) sont positionnés dans la zone tendue de la poutre afin de réduire le poids et d’éliminer le béton fissuré en traction. Pour augmenter l'action composite de la section hybride, les surfaces des tubes adjacents au béton ont été rendues rugueuses par enrobage de sable. Plusieurs variables ont été choisis pour étudier l'effet de l’épaisseur des tubes extérieurs et intérieurs, les laminés de fibres, et la forme sur le comportement en flexion de ces poutres hybrides (TPRFB). Pour atteindre les objectifs de l’étude, vingt-quatre échantillons de poutre pleine grandeur, ayant une longueur de 3200 mm et une section transversale de 305×406 mm2, ont été testés sous une flexion à quatre points. Ces échantillons comprennent huit poutres de TPRFB entièrement remplis avec une large gamme d'épaisseur du tube externe de 3.4 mm à 14.2 mm, quatorze poutres de TPRFB partiellement remplis avec différentes configurations de tubes extérieurs et intérieurs, et deux poutres en béton armé conventionnel, comme échantillons de référence. Les résultats indiquent une performance exceptionnelle des poutres rectangulaires de TPRFB entièrement et partiellement remplies en termes du rapport de la résistance sur la masse et de la ductilité par rapport aux poutres en béton armé conventionnel. Les poutres de TPRFB entièrement remplies avec un tube de petite épaisseur ont rompu de façon moins ductile en tension par rupture axiale des fibres. Les poutres de TPRFB entièrement remplies et ayant une grande épaisseur ont rompu de façon ductile en compression par flambage local vers l’extérieur des parois en compression du tube externe. Les résultats indiquent également que la résistance à la flexion des poutres de TPRFB entièrement remplies augmente d’une façon non linéaire avec l'augmentation de l'épaisseur des tubes jusqu'à une certaine limite optimale. Cette limite a été évaluée pour définir les sections TPRFB sous-armées et surarmées et, par conséquent, pour définir la rupture en tension et en compression des poutres de TPRFB entièrement remplies, respectivement. Les tubes creux intérieurs agissent positivement dans le renforcement des poutres de TPRFB partiellement remplies et en confinant le noyau de béton du côté en compression. En général, les poutres de TPRFB partiellement remplies ont rompu en compression par flambage local vers l'extérieur des parois en compression du tube externe. Les vides circulaires intérieurs ont montré une meilleure performance que les vides carrés intérieurs, bien qu’ils aient la même superficie de la section transversale et le même taux de PRF. Une analyse théorique basée sur la compatibilité des déformations d’une section en flexion a été développée pour prédire la réponse moment-courbure de la poutre TPRFB en tenant compte des pourcentages de confinement externe et interne. Les résultats analytiques et les résultats expérimentaux s’accordent en termes de moment, flèche, déformations, et positions de l'axe neutre. En outre, une étude analytique a été menée afin d'examiner la validité des codes de conception nord-américains pour prédire la réponse en flexion des poutres TPRFB. En se basant sur les résultats de ces études, de nouvelles équations ont été proposées pour mieux prédire le moment effectif d'inertie de la section et une nouvelle procédure de conception pour prédire les capacités ultimes. Ces équations considèrent l'effet de la résistance des tubes en PRFV externe et interne que le taux d’armature en acier. En outre, ils prédisent bien la flèche dans les phases avant et après la limite élastique des poutres rectangulaires hybrides à haute performance.