La détérioration des structures en béton armé est inévitable pour de nombreuses raisons telles que les exigences de charge, les changements d'utilisation, les changements dans les codes de conception, et le plus important, l'exposition continue à un environnement difficile pendant le cycle de vie. Par conséquent, ils deviennent vulnérables à la fissuration, à la carbonatation du béton, à l'écaillage de la couverture et à d'autres formes de détérioration qui rendent indispensable la demande de processus de modernisation et de renforcement. Récemment, les systèmes matrices cimentaires renforcées de fibres (MCRF) ont rejoint la famille des matériaux de renforcement/réparation en tant qu'alternative prometteuse pour surmonter les inconvénients associés aux systèmes de polymère renforcé de fibres (PRF). Les MCRF ont montré des performances significatives dans le renforcement des structures déficientes/détériorées en termes de déformation et de capacité de charge. Cependant, l'utilisation de tels systèmes a été limitée aux structures simplement soutenues. À ce jour, la faisabilité de l'utilisation de systèmes MCRF pour renforcer les structures à plusieurs portées n'a jamais été signalée, bien que de telles structures se manifestent dans de nombreuses applications d'ingénierie telles que les bâtiments résidentiels, les garages de stationnement, les ponts supérieurs et les ponts à longue portée. Par conséquent, le comportement de telles structures lorsqu'elles sont renforcées avec des MCRF est inconnu en termes de modes de rupture, de ductilité et, surtout, de formation de rotules plastiques à leurs sections critiques. Dans cette étude, le comportement en flexion de poutres à multi-portées en béton armé déficientes et renforcées avec des systèmes MCRF a été étudié. Le travail comprend des enquêtes expérimentales et analytiques. Le travail expérimental consistait en seize poutres à deux portées à grande échelle de 150 x 250 x 3600 mm. Les poutres ont été construites et testées dans des configurations de charge à cinq points. Pour stimuler le défaut de flexion qui pourrait survenir lors de la conception ou pendant la construction, le rapport des armatures de traction interne dans la section déficiente était presque de 50 % de celui de l'autre section et doit donc être renforcé. Les paramètres d'essai comprenaient l'emplacement (sections négatives ou positives) et le type de systèmes de renforcement utilisés (PBO-MCRF, C-MCRF et PRF), le nombre de composites MCRF (1, 2 et 4 couches), et le schéma de renforcement (configurations symétriques et asymétriques). Les résultats des tests ont reflété le rôle important de l'utilisation de MCRF systèmes dans l'amélioration de la réponse en flexion des structures continues déficientes, en particulier la ductilité, les rapports de redistribution des moments et les capacités de charge. Les systèmes MCRF, en particulier PBO-MCRF, ont montré une réponse de glissement progressive entre les fibres et leur matrice environnante, contrairement à la manière rigide et soudaine courante des systèmes PRF. Ceci était cohérent avec la ductilité des poutres renforcées, qui présentaient des indices comparables à ceux des poutres de contrôles. Par conséquent, les sections renforcées avaient une capacité de rotation suffisante pour redistribuer les moments dans un intervalle représentant 42 et 80 % de celle de leurs homologues non renforcées dans la poutre de contrôle. Les systèmes MCRF ont également amélioré la capacité de flexion des poutres renforcées avec une augmentation comprise entre 5 et 36 % de celle des poutres de contrôle par rapport à une augmentation comprise entre 31 et 63 % pour la capacité de moment, en fonction du type, de la quantité, de l'emplacement et de la configuration du MCRF utilisé. De plus, l'utilisation de couches MCRF dans les régions d'affaissement a considérablement amélioré la rigidité en flexion des poutres renforcées dans la phase de service (avant la plastification de l'acier) par rapport à leurs homologues dans les sections de monopolisation. Cela était dû à l'effet de restriction des composites MCRF sur le comportement à la fissuration émergé dans de telles régions d'affaissement Analytiquement, les directives de conception de l'ACI 549.4R-20 (ACI 2020) ont été étudiées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations de l'ACI 549.4R (2020) sous-estimaient les résistances ultimes des poutres renforcées par MCRF. Par conséquent, l'auteur a développé un modèle de déformation qui peut identifier avec précision les déformations de décollement dans les systèmes MCRF à utiliser dans les équations de conception estimant la contribution de ces systèmes à la capacité de flexion des éléments renforcés. Cette étude a introduit un modèle analytique qui peut prédire avec précision le comportement en flexion des structures à plusieurs travées en mettant l'accent sur leur capacité de rotation et leur ductilité. Contrairement aux modèles disponibles dans la littérature, le modèle proposé tient compte de la variation de la rigidité de la structure lors du chargement y compris celle du système de renforcement utilisé. Le modèle peut déterminer avec précision la capacité de rotation des rotules en plastique formées, estimer le rapport de redistribution des moments entre les sections critiques à n'importe quelle charge appliquée et anticiper le mécanisme de défaillance de la structure renforcée. L'efficacité du modèle a été validée par rapport aux résultats d'essais des poutres renforcées avec MCRF considérées dans le programme expérimental et un bon accord entre les résultats expérimentaux et analytique a été obtenu. Afin de déterminer avec précision les flèche à mi-portée des structures renforcées à multi-portées, un nouveau paramètre de réduction a été incorporé dans les formulations ACI 318 (2019) pour tenir compte de la rigidité du système de renforcement, car ces formulations ont été principalement développées pour les structures non renforcées. Les nouvelles formulations ont considérablement amélioré la prédiction de la capacité de déflexion des structures renforcées avec un rapport expérimental/analytique moyen de 1.02 contre 1.7 lorsque les formulations ACI ont été utilisées. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et un article dans une conférence, comme détaillé tout au long de la thèse. / Deterioration of reinforced concrete (RC) structures is unavoidable due to many reasons such as loading requirements, changes in use, change in the design codes, and the most important the continuous exposure to harsh environment during the life cycle. Consequently, they become vulnerable to cracking, concrete carbonation, cover spalling, and other forms of deterioration that make the demand for retrofitting and strengthening processes are essential. At present, fabric reinforced cementitious matrix (FRCM) systems have recently joined the family of strengthening/repairing techniques as a promising alternative to overcome the drawbacks associated with fiber reinforced polymer (FRP) systems. FRCM showed significant performance in strengthening the deteriorated structures in terms of the deformation and the load-carrying capacities. However, the use of such systems has been limited to the simply supported structures. To date, the feasibility of the use of FRCM systems to strengthen multi-span RC structures has never been reported, though such structures are manifested in many engineering applications such as RC residential buildings, parking garages, and long span bridges. Therefore, the behavior of RC continuous structures when strengthened with FRCM systems is unknown in terms of failure modes, ductility, moment redistribution between critical sections and most importantly, the formation of plastic hinges at those sections. In this study, the flexural behavior of RC deficient continuous beams strengthened with FRCM systems were investigated. The work included experimental and analytical investigations. The experimental work consisted of sixteen large-scale continuous beams of 150 x 250 x 3600 mm. The beams were constructed and tested under five-point load configurations. To stimulate the flexural deficiency that might occur in design or during construction, the ratio of the internal tensile steel in the deficient section was almost 50% of that of the other section and therefore need to be strengthened. The test parameters included the location (hogging or sagging sections) and the type of strengthening systems used (PBO-FRCM, C-FRCM, and FRP), the number of FRCM systems (1, 2, and 4 layers), and the strengthening scheme (symmetric and asymmetric configurations). The test results proved the efficiency of FRCM systems in enhancing the flexural response of RC deficient continuous structures, particularly the ductility, the moment redistribution ratios, and load-carrying capacities. FRCM systems, especially PBO-FRCM showed gradual slippage response between the fibers and their surrounding matrix contrary to the common stiff and sudden manner of FRP systems. This was consistent with the ductility of the strengthened beams, which showed comparable indices to that of the control beams. Consequently, the strengthened sections had enough rotation capacity to redistribute the moments in a range representing 42 and 80% from that of their unstrengthened counterparts in the control beam. FRCM also increased the load-carrying capacity of the strengthened beams in a range between 5 and 36% of that in the control beams compared to an increase ranged between 31 and 63% for the moment capacity, based on the type, amount, location, and configuration of the FRCM used. Moreover, strengthening the sagging regions notably enhanced the flexural stiffness of the strengthened beams in the service stage (before steel yielding) compared to their counterparts in the hogging regions. This was due to the restriction effect of FRCM composites on the cracks formation and their pattern emerged in such sagging regions. Analytically, the design guidelines of ACI 549.4R-20 (ACI 2020) were investigated using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the formulations of ACI 549.4R (2020) underestimated the ultimate strengths of FRCM-strengthened beams. Therefore, the author developed a strain model that can accurately identify the debonding strains in FRCM systems to be used in the design equations estimating the contribution of such systems to the flexural capacity of strengthened elements. This study proposed an analytical model that can accurately predict the flexural behavior of multi-span RC structures with a focus on their rotational capacity and ductility. Unlike the available models in the literature, the proposed model accounts for the variation in the structure's stiffness during loading including that of the strengthening system used. The model can precisely determine the rotational capacity of the formed plastic hinges, estimate the moment redistribution ratio between the critical sections at any applied load, and anticipate the failure mechanism of the strengthened structure. The efficiency of the model was validated against the test results of FRCM-strengthened beams considered in the experimental program and a good agreement between the experimental and the theoretical results was obtained. To accurately determine the midspan deflections of continuous EB-strengthened structures, a new reduction parameter was incorporated in the ACI 318 (2019) formulations to account for the stiffness of the strengthening system, as those formulations were mainly developed for unstrengthened RC structures. The new formulations substantially enhanced the prediction of the deflection capacity of the strengthened structures with an average experimental-to-analytical ratio of 1.02 versus 1.7 when ACI formulations were used. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles as well as one conference paper as detailed throughout the thesis.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/73669 |
| Date | 25 November 2023 |
| Creators | Mandor, Ahmed |
| Contributors | El Refai, Ahmed |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxvi, 260 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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