Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2012. / ENGLISH ABSTRACT: This study set out to determine the debonding of externally applied Carbon Fibre Reinforced Polymer (CFRP) plates from RC structures under cyclic loading. Triplet shear tests and finite element (FE) analyses were done on the epoxy to determine the bond stress between the CFRP plate and a reinforced concrete specimen. From these tests and analyses the average shear strength of the bond between the epoxy and concrete substrate was determined and the shear strength of the epoxy specified by the supplier could be confirmed. A case study of a statically loaded beam was performed to verify the bond strength. Finally a reinforced concrete (RC) T-section was designed and pre-cracked to simulate a damaged beam in practice. These sections were then externally reinforced by bonding CFRP plates onto the face of the web. The sections were subjected to static and cyclic loading at different force amplitudes. Along with the experimental tests, FE models were developed and analysed which had the same geometrical and material properties as the experimental specimens. Due to time constraint a FE mesh objectivity study was not done, but the chosen element size is believed to be sufficiently small to replicate the experimental tests objectively. The FE analyses and the experimental tests yielded results that were close to each other on both the global scale and in terms of localised behaviour, thus it was decided that the computational approach could be used for the final design of a model of the debonding of CFRP plates bonded onto RC beams under cyclic loading because the data can be analysed more easily and a large variation of tests can be done. For the T-section 3 tests were conducted; a pull-off (static) test where the bonded CFRP plate was pulled from a specimen to get the ultimate failure envelope of the test specimens. The static test was followed by cyclic tests with force amplitude of 85% and 65% of the ultimate pull-off strength. Different measurements were taken to get the global and local displacement behaviour of the section. The global displacement was measured by means of a linear variable displacement transducer (LVDT, displacement meter) clamped onto the CFRP plate that pushed on the top of the concrete and the local displacement was measured with the help of the Aramis system. The displacement was then compared to the same displacements of nodes and elements in the FE models. The result was a confirmation that the results from the FE models were sufficient to design a model for cyclic debonding of CFRP plates from RC structures. From the FE models the relative displacement between the CFRP plate and concrete was obtained in the vicinity of a crack. This relative displacement was then normalised by the respective stress range of the different tests, from which the normalised relative displacement was plotted against the number of cycles to get an equation limiting the number of cycles for a specific stress range. From the results, it appears that for cyclic load levels up to 65% of the peak static resistance, a threshold number of load cycles are required for delamination initiation. Subsequently, a near constant delamination rate is reached. The delamination rate is significantly lower for lower cyclic load levels. Finally, an unstable delamination stage is reached at a level of about 65 μm for all the analyses, after which CFRP pull-off is imminent. Service life design of CFRP reinforcement of RC beams should take into consideration the delamination initiation threshold, the subsequent delamination rate and finally the initiation of unstable delamination. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die projek is uitgevoer om die delaminasie van ekstern aangewende Koolstof Vesel Versterkte Polimeer (KVVP) stroke op gewapende beton strukture te bepaal onder sikliese belasting. Triplet skuif toetse is gedoen op die gebruikte epoksie om die verband-sterkte te bepaaltussen die KVVP stroke en die beton proefstuk. Die skuif toetse is ook met behulp van die eindige element (EE) metode geanaliseer. Die resultaat van die toetse en analises het gewys dat die verband sterkte tussen die KVVP stroke en beton gelyk is aan die skuif sterkte van die epoksie wat verskaf is. `n Gevalle studie van `n monotonies belaste balk is gedoen om die verband-sterkte te verifieër. `n Gewapende beton T-snit is ontwerp en voor-af gekraak om `n beskadigde balk in die praktyk voor te stel. Die beskadigde proefstukke is vervolgens ekstern versterk met KVVP stroke wat aan die web van die T-snit vas geplak is. Die versterkte T-snitte is getoets onder statiese en sikliese belasting. Die sikliese toetse is ook onder verskillende spanningsamplitudes getoets. Om die eksperimentele toetse te verifieër is EE modelle gebou en geanaliseer wat dieselfde geometriese en materiaal eienskappe as die eksperimentele proefstukke gehad het, maar as gevolg van `n tydsbeperking is `n sensitiwiteit studie oor die element grootte nie gedoen nie. Die element grootte is klein genoeg gekies en word beskou as voldoende om die gedrag objektief te simuleer. Die EE analises en eksperimentele resultate was na genoeg aan mekaar op beide globale en lokale vlak. Dus is `n analitiese benadering tot die toetse vervolgens gebruik vir die ontwerp van `n model vir delaminasie van KVVP stroke van gewapende beton strukture onder sikliese belasting. Die EE metode stel die analis in staat om `n verskeidenheid van toetse relatief vinnig uit te voer en om die data van die toetse vinniger te interpreteer as deur fisiese eksperimentele toetse. Drie eksperimente is uitgevoer op die T-snitte, `n aftrek-toets (staties) waar die KVVP strook van `n proefstuk afgetrek is om die falingsomhullende diagram te kry en dan ook twee sikliese toetse teen 85% en 65% van die krag amplitude van die falingskrag. Verplasingsmeters is gebruik om die globale verplasing te kry, deur dit vas te klamp op die KVVP strook en dan die verplasing te meet relatief tot die bokant van die beton. Die lokale veplasing is met behulp van die Aramis sisteem verkry. Die eksperimentele verplasings is dan vergelyk met verplasings van die ooreenstemmende nodes en elemente in die EE modelle. Deur die vergelyking van die resultate is dit bevestig dat die eindige element modelle voldoende is om die model vir sikliese delaminasie van KVVP stroke van gewapende beton strukture te gebruik vir die ontwerp. Uit die EE modelle is die relatiewe verplasing tussen die KVVP strook en die beton gekry in die omgewing van `n kraak. Die relatiewe verplasing is genormaliseer deur elkeen se spanningsamplitude. Die genormaliseerde relatiewe verplasing is dan teenoor die aantal siklusse geteken waarvan `n vergelyking vir die maksimum verplasing afgelei is om die aantal siklusse vir `n gegewe spanning amplitude te beperk. Uit die resultate blyk dit dat vir sikliese laste tot en met 65% van die piek statiese weerstand `n aantal siklusse moontlik is voordat delaminasie begin waarna `n konstante delaminasie tempo bereik word. Die delaminasie tempo is stadiger vir sikliese laste teen `n laer belastings amplitude. Laastens word `n onstabiele delaminasie fase bereik by `n vlak van ongeveer 65 μm, na die oorgang delamineer die KVVP strook binne enkele siklusse. Die beginpunt van delaminasie, die delaminasie tempo en laastens die begin van onstabiele delaminasie moet in gedagte gehou word by die ontwerp diens leeftyd van KVVP versterkte gewapende beton balke.

<p>Masonry infills historically have increased in-plane stiffness and reduced drift demands of reinforced concrete frames. An inherent risk remains during intense ground motions that unreinforced masonry infills can develop shear cracks, fail out-of-plane, or lead to the formation of captive-column conditions. This study explored the use of full-bay, plywood panel infills in non-ductile reinforced concrete frames as a novel seismic retrofit. Wood infills were constructed from layers of APA 3/4” Rated Sheathing plywood panels. Infills were tested using two single-bay, single-story concrete frames at 1/3 scale, with initial periods between 0.1 and 0.3 seconds once infilled. External post-tensioning was provided to the columns during all series to prevent column shear failure and doubled as dowel connections between the concrete frame and wood panel infill. Test series were performed on a uniaxial earthquake simulator with the frame bay parallel to the direction of ground motion. Wood infills were approximately 0.36∗𝑏, 0.18∗𝑏, and 0.09∗𝑏 thick, where b is the column width. Multi-layer infills were screw-laminated via a 6” square grid. Infills were tested in previously damaged and nominally pristine frames.</p> <p>During similar ground motions, masonry infills reduced the effective period of the pristine bare frame by approximately 50%. In nominally pristine frames, one-panel plywood infills reduced the bare frame period by a maximum of 50%, and two-panel infills by 60%. One and two-panel wood infills reduced drift demands in comparison to the pristine bare frame by a factor of 1√2∗𝑛 in previously damaged frames and by 12∗𝑛 in nominally pristine frame, where n is the number of panels of plywood across the infill thickness. There was no extra reduction in drift demands resulting from increasing the wood infill thickness beyond two panels. One-panel wood infills failed via out-of-plane buckling causing splitting at a drift demand of approximately 1.5%.</p> <p>The results of this study confirm that wood panel infill retrofits are structurally viable alternatives to stiffen non-ductile reinforced concrete frames. Plywood panel infills reduced drift demands more efficiently per unit thickness and unit weight than masonry infills; the resilience and ease of construction of wood infills suggest expanded use should be explored. Experimental study of full-scale wood infills is needed before this retrofit method could become field deployable.</p>

Αντικείμενο της παρούσας Διατριβής Διπλώματος Ειδίκευσης αποτελεί η πειραματική διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της περίσφιγξης υποστυλωμάτων οπλισμένου σκυροδέματος με μεγάλο λόγο πλευρών με μανδύες ινοπλισμένων πολυμερών και με μανδύες ινοπλεγμάτων σε ανόργανη μήτρα. Για το σκοπό αυτό διενεργήθηκε εκτενές πειραματικό πρόγραμμα στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Το πειραματικό πρόγραμμα περιελάμβανε 18 υποστυλώματα υπό κλίμακα 3/5 ύψους 770 mm τα οποία χωρίστηκαν σε δύο ομάδες, ανάλογα με το λόγο των πλευρών τους (1η ομάδα: με λόγο πλευρών 1:3, 150×450mm, 2η ομάδα: με λόγο πλευρών 1:4, 150×600mm). Δύο από τα υποστυλώματα παρέμειναν χωρίς ενίσχυση και αποτέλεσαν τα δοκίμια αναφοράς για τα ενισχυμένα δοκίμια, τα οποία περισφίχθηκαν με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ. Τα συστήματα ενίσχυσης που χρησιμοποιήθηκαν περιελάμβαναν μανδύες ΙΟΠ ινών άνθρακα με μια, δύο ή τρεις στρώσεις, χωρίς ή με αγκύρια ινών άνθρακα μορφής θυσάνου καθώς και μανδύα με δύο στρώσεις περιμετρικά του δοκιμίου και μανδύα μορφής U και αγκύρια ινών. Επιπλέον, εξετάστηκαν και μανδύες με τέσσερεις στρώσεις ινοπλέγματος με ίνες άνθρακα σε ανόργανη μήτρα με και χωρίς αγκύρια ινών άνθρακα μορφής θυσάνου εμποτισμένων σε εποξειδική ρητίνη. Η παρούσα διατριβή αποτελείται από οχτώ κεφάλαια, κάθε ένα από τα οποία διαχωρίζεται σε κατάλληλες ενότητες, υποενότητες και παραγράφους. Στο πρώτο και δεύτερο Κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στα σύνθετα υλικά με περιγραφή των επιμέρους συστατικών τους, των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους καθώς και των παραγόντων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους. Στο τρίτο Κεφάλαιο πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση για την περίσφιγξη υποστυλωμάτων, όπου αρχικά περιγράφονται συμβατικές τεχνικές ενίσχυσης που περιλαμβάνουν νέους μανδύες οπλισμένου σκυροδέματος, μεταλλικά ελάσματα, μεταλλικούς μανδύες κλπ και στη συνέχεια περιγράφονται τεχνικές ενίσχυσης με σύνθετα υλικά. Περιγράφεται ο καταστατικός νόμος που διέπει τη συμπεριφορά του περισφιγμένου με μανδύες σύνθετων υλικών σκυροδέματος και παρουσιάζονται συνοπτικά πειραματικές μελέτες από τη διεθνή βιβλιογραφία που αφορούν τη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας της μεθόδου ενίσχυσης µε ΙΟΠ σε υποστυλώματα με μικρό και μεγάλο λόγο πλευρών. Τέλος, το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με συνοπτική αναφορά πειραματικών μελετών σε δοκίμια περισφιγμένα με μανδύες σε ανόργανη μήτρα. Στο τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για την κατασκευή των δοκιμίων καθώς και οι παράμετροι που διερευνήθηκαν. Συγκεκριμένα, περιγράφονται όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν, τα διάφορα συστήματα ενίσχυσης που εφαρμόστηκαν καθώς και οι διαδικασίες που ακολουθήθηκαν από την προετοιμασία των δοκιμίων μέχρι την ενίσχυσής τους. Στο τέλος του κεφαλαίου γίνεται μια σύντομη περιγραφή της πειραματικής διάταξης και του επιμέρους μηχανικού εξοπλισμού που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση των δοκιμών μονοαξονικής θλίψης. Στο πέμπτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται διεξοδικά τα αποτελέσματα όλων των δοκιμίων που συμμετείχαν στο πειραματικό πρόγραμμα. Πιο συγκεκριμένα, περιγράφονται οι τρόποι αστοχίας των δοκιμίων συνοδεία φωτογραφικού υλικού και παρατίθενται οι καμπύλες τάσης – παραμόρφωσης τόσο για κάθε ένα ξεχωριστά όσο και συγκεντρωτικά για κάθε ομάδα. Στο έκτο Κεφάλαιο γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων όλων των πειραμάτων που διεξήχθησαν στο Εργαστήριο Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών σε υποστυλώματα με λόγους πλευρών 1:3 και 1:4 περισφιγμένα με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ προκειμένου να εξαχθούν γενικότερα συμπεράσματα πάνω στην επίδραση του υλικού της μήτρας, του αριθμού των στρώσεων και της ύπαρξης αγκυρίων στην αποτελεσματικότητα της περίσφιγξης. Στο έβδομο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από ένα αναλυτικό προσομοίωμα που χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη του μέγιστου θλιπτικού φορτίου και της οριακής παραμόρφωσης αστοχίας των περισφιγμένων με μανδύες ΙΟΠ και ΙΑΜ. Επιπλέον, γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων του αναλυτικού προσομοιώματος με τα πειραματικά δεδομένα και εξετάζεται κατά πόσο αυτό το προσομοίωμα μπορεί να χρησιμοποιείται για υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών, μετά από αλλαγή κάποιων παραμέτρων του. Στο όγδοο και τελευταίο Κεφάλαιο, παρουσιάζονται συνοπτικά τα τελικά συμπεράσματα που προέκυψαν αρχικά από την πειραματική διαδικασία και στη συνέχεια από τη χρήση του αναλυτικού προσομοιώματος. Τέλος, γίνονται και μερικές προτάσεις για περαιτέρω έρευνα πάνω σε υποστυλώματα με μεγάλο λόγο πλευρών. / The present study investigates experimentally the effectiveness of the confinement of reinforced concrete (RC) columns with high aspect ratio (wall-like RC columns) retrofitted either with fiber-reinforced polymer (FRP) or with textile-reinforced mortars (TRM) jackets. For this purpose an extensive experimental program was conducted at the Structural Materials Laboratory of the Civil Engineering Department at the University of Patras. A total of 18 identical rectangular reinforced concrete columns were constructed in a scale of 3/5 and 770 mm height so that the slenderness effects could be eliminated and tested in uniaxial compression. The columns were separated in two groups according to their aspect ratio; the first group consisted of seven RC column specimens with cross section dimensions 150mm by 450mm and an aspect ratio equal to 3, and the second group consisted of eleven RC column specimens with cross section dimensions 150mm by 600mm and an aspect ratio equal to 4. To facilitate FRP and TRM wrapping, the four corners were chamfered with a radius equal to 20mm. A number of parameters were investigated such as the kind of the matrix material (organic and inorganic), the number of layers of the jackets (1, 2, 3 and 4), the role of different cross section aspect ratios (3 and 4), the effectiveness of spike anchors (resin-impregnated fiber rovings) and local strengthening with U shape jacketing placed at the smaller sides of the columns. The first chapter provides general information on FRP materials describing their individual components, their characteristic properties, the factors affecting their behavior as well as the basic techniques for their application. The second chapter describes the composite materials in inorganic matrix (TRM) and presents a comparison between the two composite material strengthening systems. In the third chapter a brief literature review is provided about the confinement of columns with conventional techniques (e.g. steel plating, steel jacketing, RC jacketing) as well as with composite materials. The constitutional law of confined concrete with jackets of composite materials is described. Furthermore some experimental studies from the international literature are presented concerning the effectiveness of the confinement with FRP jackets of columns with small and high aspect ratio. Finally, the chapter concludes with a brief reference to experimental studies on specimens confined with jackets in inorganic matrix (TRM jackets). The fourth chapter presents the procedure for constructing and retrofitting the specimens including the materials used (carbon fiber fabric and textile, carbon fiber spike anchors, epoxy resin, inorganic matrix) as well as the equipment used for uniaxial compression tests. In the fifth chapter the results for each specimen are given presenting their failure mode and the corresponding load - displacement curve. In the following chapter the results for each group are compared in order to establish general conclusions on the effect of the kind of the matrix material, the number of layers and the existence of FRP anchors in confinement of wall-like RC columns. The seventh chapter presents the results of an analytical model used to predict the maximum compressive load and the ultimate deformation of specimens confined with FRP or TRM jackets. A comparison between the experimental and the analytical results is made and it is examined whether this model can be used for columns with high aspect ratio after modifying some of the parameters. The eighth chapter summarises the most important conclusions of all investigations carried out by the present project for both the experimental procedure and the analytical model. Finally, some suggestions for further research on columns with high aspect ratio are listed.

No description available.