Flexural behaviour of reinforced or prestressed concrete beams including strengthening with prestressed carbon fibre reinforced polymer sheets: application of a fracture mechanics approach

摘要

This paper describes the application of a fracture mechanics model (Hillerborg 1990) to concrete structures, including strengthening with prestressed carbon fibre reinforced polymer (CFRP) sheets. One benefit of the proposed fracture mechanics model, consisting of a unique combined stress-strain response of concrete, is that it includes the size effect of reinforced concrete beams; however, its application and validation have not been fully investigated. The proposed model is reviewed and further developed to cover prestressed concrete beams including a beam strengthened with a prestressed CFRP sheet. To evaluate the model, various approaches such as finite element analysis, a strength-based model, a conventional design method, and experimental results are compared with the fracture mechanics model. The size-dependent parameter (ε₁) significantly affects the predicted behaviour of reinforced or prestressed concrete beams, depending on the contribution of reinforcement. Based on the current assessment, ε₁ = 0.005 is recommended as an upper limit for normal strength concrete.Key words: carbon fibre reinforced polymer sheet, flexure, fracture mechanics, prestressed concrete beam, reinforced concrete beam, strengthening, size effect.Cet article décrit l'application d'un modèle de mécanique des ruptures (Hillerborg 1990) à des structures de béton, comprenant le renforcement par des feuilles de polymères renforcés de fibres de carbone (« CFRP ») précontraintes. L'un des avantages du modèle de mécanique des ruptures proposé, comportant une seule réponse contrainte-déformation du béton, est qu'il comprend un effet de taille des poutres de béton armé. Cependant, son application et sa validation n'ont pas été examinées en entier. Le modèle proposé est examiné et développé plus à fond afin de couvrir les poutres en béton précontraint, incluant une poutre renforcée par une feuille de « CFRP » précontrainte. Pour évaluer le modèle, diverses approches telles que l'analyse par éléments finis, un modèle basé sur la résistance, une méthode de conception conventionnelle et les résultats expérimentaux sont comparés au modèle de mécanique des ruptures. Le paramètre dépendant de la dimension (ε₁) affecte grandement le comportement prévu des poutres en béton renforcé ou précontraint, selon la contribution du renforcement. En se basant sur l'évaluation actuelle, un ε₁ = 0,005 est recommandé comme limite supérieure pour le béton à résistance normale.Mots-clés : feuille de polymères renforcés de fibres de carbone, flexion, poutre de béton précontraint, poutre de béton armé, renforcement, effet de taille.[Traduit par la Rédaction]