Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Strengthening of concrete structures by the use of mineral based composites: system and design models for flexure and shear
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering.ORCID iD: 0000-0002-5154-7044
2009 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

A great number of society's resources are invested in existing concrete structures, such as bridges, tunnels, different kind of buildings etc. All of these structures have both an expected function and an expected life span. However, both the function and the life span can be influenced by external factors, e.g. degradation and altered load situations. Further influencing aspects could be mistakes in design or during the construction phase. Repairing and/or strengthening these structures could maintain or increase the function as well as the life span.To strengthen concrete structures by using adhesively bonded fibres or fibre reinforced polymers (FRP) has been shown to be an excellent way of improving the load bearing capacity. The most common adhesive used for this type of strengthening is epoxies. Unfortunately, there are some drawbacks with the use of epoxy adhesives such as diffusion tightness, poor thermal compatibility with concrete and requirements for a safe working environment which might lead to allergic reactions if proper protective clothing is not used. A further limiting factor is the requirement on the surrounding temperature at application. A commonly recommended minimum temperature at the time for application is 10°C, which makes the preparations regarding application during colder seasons much more complicated. However, some of these drawbacks could be reduced by substituting the epoxy adhesive for a mineral-based bonding agent with similar material properties as concrete.The strengthening system and also the topic of this thesis is termed "mineral-based composites" (MBC). The MBC consists in this context of grids of carbon FRP with high tensile strength that are bonded to an existing concrete surface by the use of a cement based bonding agent.The scientific approach in this thesis includes analytical methods to describe load bearing capacity for the strengthened concrete structure in both flexure and shear. The analytical approaches are then verified against experimental results. Above the theoretical and experimental performance of the MBC system a review of state of the art research has been made in order to collate and map existing mineral-based strengthening systems other than the MBC system.To develop and verify the theoretical models and to compare the performance of the MBC system to other possible designs of mineral-based strengthening systems, six papers are appended in the thesis. - The first paper describes the performance of the MBC system when used in flexural strengthening. The experimental program in this paper consists of a concrete slab strengthened with both the MBC system and epoxy based system. In addition, a parametric study was made on small scale beam specimens to evaluate the performance of using different cement-based bonding agents.- The second paper describes the performance of the MBC system when used as shear strengthening. This study consists of experimental results of 23 reinforced concrete beams with different concrete qualities, internal shear reinforcement ratios together with different variations of the CFRP grid design and mineralbased bonding agents. In addition, a comparison is also made to traditional epoxy-based strengthening. This paper also has an analytical approach to estimate the shear resistance.- The third paper describes existing mineral-based strengthening systems and how these perform in comparison to the proposed MBC strengthening system in shear and flexure.- The fourth paper maps different possibilities to design and combine various materials in order to obtain a mineral-based strengthening system. This paper also consists of experimental research on the tensile behaviour of the MBC system when using high performance fibre reinforced cementitious bonding agents (engineered cementitious composites - ECC). In addition, these results and discussions are also coupled to the observations made in flexural and shear strengthening.- The fifth paper gives suggestions on how to estimate the shear bearing capacity of MBC strengthened concrete beams. The suggested shear design approaches are mainly based on traditional shear design models based on truss analogy, but one design presented is based on the compression field theory.- The sixth and last paper describes the strain development in a shear strengthened concrete beam both with and without the MBC system. All of the results from the investigations made in this thesis indicate that the MBC system contributes to increasing the load bearing capacity for strengthened concrete structures considerably. It is also shown that the MBC system can give competitive strengthening effects compared to existing epoxy bonded strengthening systems. From the experimental investigations on the shear strengthened beams it is shown that the strains in the shear span are lowered compared to a non strengthened specimen. This reduction of strains is also shown in the transition zone between the development of macro cracks from micro cracks. The suggested analytical approach in order to estimate the load bearing capacity of strengthened concrete structures in both flexure and shear indicates that realistic estimations can be made. The flexural design is straightforward while the shear design is more intricate. It is however concluded that a simple and safe design could be made based on the "additional" approach using a 45° truss.

Abstract [sv]

En betydande del av samhällets tillgångar är investerade i vår existerande infrastruktur som t ex järnvägsbroar, vägbroar, tunnlar, dammar,, fastigheter etc. En majoritet av dessa konstruktioner är byggda av armerad betong. Samtliga av dessa betongkonstruktioner har både en förväntad funktion och en förväntad livslängd. Men både funktionen och livslängden kan komma att ändras på grund av yttre påverkande faktorer som till exempel nedbrytning och förändrade belastningsförhållanden. Ytterligare kan vara tidiga misstag i projekteringsfasen eller under själva uppförandet. Genom reparation och/eller förstärkning kan både funktion och livslängd hos dessa konstruktioner ofta återställas eller till och med uppgraderas. Förstärkning av betongkonstruktioner genom att limma fast kolfiberväv eller kolfiberkompositer har visat sig vara en bra och tillförlitlig metod för att öka bärförmågan hos befintliga konstruktioner. Det lim som till största delen används vid denna typ av förstärkning är epoxilim. Dessvärre har epoxilim vissa nackdelar, så som diffusionstäthet, dålig termisk kompabilitet med betong och krav på skyddad arbetsmiljö. Ytterligare en begränsande faktor är kravet på omgivande temperatur vid limning. Vissa av dessa nackdelar kan reduceras genom att byta ut epoxilimmet mot en mineralbaserad vidhäftningsprodukt med egenskaper liknande betongens.Förstärkningssystemet som omfattas av denna avhandling har benämningen "mineralbaserade kompositer" (MBC) och omfattar kolfibernät med hög draghållfasthet som fästs på befintlig betongkonstruktion med ett cementbaserat bruk.Det vetenskapliga förfarandet i denna avhandling omfattar analytiska metoder för att beskriva bärförmågan för den förstärkta betongkonstruktionen i både böjning och tvärkraft. De analytiska metoderna är sedan verifierade mot laboratorieförsök. Utöver de teoretiska och experimentella resultaten för MBC systemet så ingår även en aktuell granskning och kartläggning av existerande mineralbaserade förstärkningssystem och därmed möjliga materialkombinationer och utformningar, dvs. andra än MBC systemet.Avhandlingen består av en litteraturstudie och sex bifogade artiklar.Den första artikeln beskriver hur MBC system uppför sig vid förstärkning i böjning. I denna artikel ingår provning av en större betongplatta som förstärkts med MBC systemet och epoxibaserade system samt en parametersstudie på småskaliga provkroppar med MBC systemet och olika cementbaserade bruk.Den andra artikeln beskriver hur förstärkningssystemet presterar vid förstärkning i tvärkraft. Denna studie omfattar experimentella resultat på 23 balkar med olika betongkvalitéer, armeringsmängd samt olika variationer av MBC systemet och jämförelse mot traditionell epoxibaserad förstärkning. Dessutom innehåller denna artikel en analytisk uppskattning av tvärkraftskapaciteten.Den tredje artikeln beskriver olika existerande förstärkningssystem och hur dessa presterar i jämförelse med MBC systemet i böjning och tvärkraft.Den fjärde artikeln kartlägger olika möjligheter till att kombinera material i mineralbaserade förstärkningssystem för att optimera dessa system. Dessutom ingår även experimentella försök med ett högpresterande fiberförstärkt cementbruk (ECC). Denna artikel omfattar även resultat och diskussion om MBC systemets beteende i enaxligt drag, brottenergiupptagande förmåga samt hur dessa observationer kopplas till iakttagelser i böj- och tvärkraftsförstärkning.Den femte artikeln behandlar en rekommendation till dimensionering för tvärkraft av MBC systeme baserat på traditionella dimensioneringsmetoder med fackverksteori samt en ny tillämpning baserat på tryckfältsteori.Det sjätte bidraget beskriver hur töjningsutvecklingen sker i tvärkraft för betongbalkar med och utan MBC systemet.Resultaten från dessa undersökningar indikerar på att MBC systemet bidrar till att öka bärförmågan hos förstärkta betongelement och att denna ökning kan i vissa avseenden jämföras mot epoxibaserad förstärkning. Det är även visat att MBC systemet, i tvärkraftsförstärkning, bidrar till att minska töjningar i det armerade betongtvärsnittet i övergångszonen mellan tillväxten av mikrosprickor till makro sprickor samt att töjningarna reduceras även under öppningen av makrosprickor. Analytiska metoder för att uppskatta bärförmåga för förstärkning i böjning och tvärkraft är redovisade och dessa indikerar på att realistiska uppskattningar är möjliga. Dimensionering av bärförmågan i böjning är relativt enkel medan dimensionering i tvärkraft är lite mer komplicerad. En av slutsatserna gällande tvärkraftsdimensioneringen är att det är möjligt på ett enkelt sätt använda befintliga dimensionerings anvisningar grundade i "additions" principen för att uppnå en säker uppskattning av bärförmågan i tvärkraft.

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2009. , 156 p.
Series
Doctoral thesis / Luleå University of Technology 1 jan 1997 → …, ISSN 1402-1544
National Category
Infrastructure Engineering
Research subject
Structural Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-26504Local ID: e9032c10-0fb5-11de-b3bc-000ea68e967bISBN: 978-91-86233-23-5 (print)OAI: oai:DiVA.org:ltu-26504DiVA: diva2:999667
Note
Godkänd; 2009; 20090313 (thojoh); DISPUTATION Ämnesområde: Konstruktionsteknik Opponent: Professor Thanasis C Triantafillou, University of Patras, Grekland Ordförande: Professor Björn Täljsten, Technical University of Denmark och Luleå tekniska universitet Tid: Fredag den 24 april 2009, kl 10.00 Plats: F 1031, Luleå tekniska universitetAvailable from: 2016-09-30 Created: 2016-09-30 Last updated: 2017-11-24Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6691 kB)437 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6691 kBChecksum SHA-512
6cdc064d41eba5c481a8e6d51fcb8b8aa35fb649112222354f1fcf6fe75188d2b13f7ec114bdb929acf4b1c04694a6a88c2333eb283164c2fe7997aa99048816
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Blanksvärd, Thomas
By organisation
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Infrastructure Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 437 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

isbn
urn-nbn

Altmetric score

isbn
urn-nbn
Total: 133 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf