Full-scale fire resistance testing of concrete beams reinforced with various FRP reinforcement

• Autorzy: Protchenko K. , Urbański M.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.135212

Warianty tytułu

PL

Ognioodporność pełnowymiarowych belek betonowych zbrojonych prętami FRP o zróżnicowanym składzie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The widespread use of Fibre-Reinforced Polymers (FRP) reinforced concrete (RC) structural members is hindered by their low fire resistant characteristics, limiting their use to cases, where fire resistance is not a priority. Presented and discussed are experimental results pertaining to the flexural members subjected to heating and simultaneous loading. Solely non-metallic FRP bars: (i) Basalt FRP (BFRP), (ii) Hybrid FRP (HFRP) with carbon and basalt fibres and (ii) nano-Hybrid FRP (nHFRP) with modified epoxy resin, were used as internal reinforcement for beams. The destruction of the beams was caused in different ways, beams reinforced with BFRP bars were destroyed by reinforcement failure while those reinforced with hybrid FRP bars were destroyed by concrete crushing. The BFRP reinforced beams obtained a maximum temperature, measured directly on the bars, of 917°C, compared to beams reinforced with hybrid FRP bars, where the temperature on the bars reached 400-550°C at failure. Moreover, the highest registered ductility was obtained for BFRP reinforced beams as well, where the maximum deflections reached approximately 16 cm.

PL

Degradacja nośności zbrojenia konstrukcji w postaci prętów FRP (ang. Fibre-Reinforced Polymers) może być spowodowane kilkoma czynnikami, do których należą: rodzaje włókien, osnowy (matrycy), ich objętościowy udział, sposób wytwarzania, jakość składników prętów. Jednakże głównym czynnikiem jest przede wszystkim wpływ temperatury w zbrojeniu FRP, występujący w trakcie oddziaływania warunków pożarowych. Zjawisko redukcji nośności konstrukcji i przyczepności zbrojenia do betonu pojawia się, gdy temperatura prętów FRP zbliża się do temperatury zeszklenia Tg osnowy (matrycy), której wartość zależy od rodzaju żywicy. Jednym z rozwiązań w tym zakresie jest zastosowanie większej otuliny lub zastosowanie dodatkowego systemu ochrony przeciwpożarowej. Jednak obecnie dostępne dane na temat zachowania elementów betonowych zbrojonych FRP w warunkach pożarowych, są ograniczone, szczególnie w odniesieniu do nośności belek po poddaniu ich oddziaływaniu wysokich temperatur. Dlatego odporność ogniowa elementów betonowych zbrojonych FRP jest jednym z podstawowych czynników, które utrudniają powszechne stosowanie tych materiałów jako alternatywy dla zbrojenia stalowego. W artykule opisano zachowanie się belek betonowych, zbrojonych prętami FRP wyprodukowanych na bazie włókien bazaltowych i węglowych, poddawanych testom odporności ogniowej. Badania belek narażonych na wysokie temperatury, przeprowadzono według scenariusz pożaru umownego zgodnie z krzywą standardową ISO-834 [13], [29]. Ponieważ głównym celem było zbadanie wpływu rodzaju zbrojenia FRP na odporność ogniową belek, zastosowano różne rodzaje prętów w strefie rozciągania (dolna część belek): (i) zbrojenie na bazie włókien bazaltowych BFRP (ang. Basalt FRP), (ii) hybrydowe zbrojenie HFRP (ang. Hybrid FRP) z włóknami węglowymi i bazaltowymi oraz (ii) nanohybrydowymi prętami nHFRP (ang. nano-Hybrid FRP) ze zmodyfikowaną żywicą epoksydową. Ponadto, badane elementy charakteryzowały się zmiennym stopniem zbrojenia, w celu określenia wpływu średnicy i liczby prętów na nośność belek podczas i po oddziaływaniu wysokich temperatur.

Słowa kluczowe

EN

fibre reinforced polymer; FRP; FRP bar; hybrid reinforcement; concrete beam; fire resistance

PL

polimer zbrojony włóknami; FRP; pręt FRP; zbrojenie hybrydowe; belka betonowa; odporność ogniowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 4
• Strony: 119--136
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Protchenko K.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Urbański M.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. K. Nguyen, J.P. Tran, T. Ngo, P. Tran, P. Mendis, “Experimental and computational investigations on fire resistance of GFRP composite for building façade”, Composites Part B: Engineering 62: 218-229, 2014. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.02.010
• 2. T.A. Elsayed, A.A. Elhefnawy, A.A. Eldaly, G.M. Ghanem, “Hybrid fiber reinforced polymers rebars”, Journal of Advanced Materials 43: 65-75, 2011.
• 3. A. Nanni, A. De Luca, H. Jawaheri Zadeh, “Reinforced concrete with FRP bars: Mechanics and design”, CRC Press, Boca Raton, FL, 2014.
• 4. E. D. Szmigiera, M. Urbański, and K. Protchenko, “Strength Performance of Concrete Beams Reinforced with BFRP Bars,” in International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018) : Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure, 2018, pp. 667-674. http://doi.org/10.1007/978-3-319-78175-4_85
• 5. R. Kowalski, M.J. Głowacki, M. Abramowicz, “Premature destruction of two-span RC beams exposed to high temperature caused by a redistribution of shear forces”, Journal of Civil Engineering and Manufacturing 22(8), 1-9, 2016. https://doi.org/10.1260/2040-2317.6.1.49
• 6. A. Abbasi, P. Hogg, “Temperature and environmental effects on glass fibre rebar: Modulus, strength and interfacial bond strength with concrete”, Composites Part B: Engineering36: 394-404, 2005. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2005.01.006
• 7. K. Protchenko and E. D. Szmigiera, “Post-Fire Characteristics of Concrete Beams Reinforced with Hybrid FRP Bars,” Materials, vol. 13, no. 5, pp. 1-15, 2020. http://doi.org/10.3390/ma13051248
• 8. R. Hamad, M.A. Megat Johari, R. Haddad, “Effects of Bars Slippage on the Pre- and Post-Heating Flexural Behavior of FRP Reinforced Concrete Beams: Experimental and Theoretical Investigations”, International Journal of Civil Engineering and Technologes 10: 574-602, 2019.
• 9. D.S. Ellis, H. Tabatabai, A. Nabizadeh, “Residual Tensile Strength and Bond Properties of GFRP Bars after Exposure to Elevated Temperatures”, Materials 11: 346, 2018. https://doi.org/10.3390/ma11030346
• 10. K. Protchenko, M. Włodarczyk, and E. D. Szmigiera, “Investigation of Behavior of Reinforced Concrete Elements Strengthened with FRP,” Procedia Engineering, vol. 111, pp. 679-686, 2015. http://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.07.132
• 11. K. Protchenko, E. D. Szmigiera, M. Urbański, A. Garbacz, P. L. Narloch, and P. Lesniak, “State-of-the-Art on Fire Resistance Aspects of FRP Reinforcing Bars,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 661, pp. 1-8, 2019. http://doi.org/10.1088/1757-899X/661/1/012081
• 12. E. Nigro, G. Cefarelli, A. Bilotta, G. Manfredi, E. Cosenza, “Fire resistance of concrete slabs reinforced with FRP bars Part I: Experimental investigations on mechanical behaviour”, Composites: Part B: Engineering Vol. 42: 1739-1750, 2011. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.02.025
• 13. ACI. Guide for the design and construction of concrete reinforced with FRP Bars. ACI 440.1R-15. Farmington Hills, MI: American Concrete Institute; 2015.
• 14. CSA. Design and construction of building structures with fibre-reinforced polymers. CAN/CSA S806-12, Canadian Standards Association, 2012, Reaffirmed in 2017, 206 pages.
• 15. E. Nigro, G. Cefarelli, A. Bilotta, G. Manfredi, E. Cosenza, “Fire resistance of concrete slabs reinforced with FRP bars part II: experimental results and numerical simulations on the thermal field”, Composites Part B: Engineering, 42 (6): 1751-1763, 2011. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.02.026
• 16. H. Hajiloo, M. Green, M. Noël, N. Benichou, M.A. Sultan, “Fire Tests on Full-Scale FRP Reinforced Concrete Slabs”, Journal of Composite Structures 179: 705-719, 2017. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2017.07.060
• 17. ISO 834-1, Fire Resistance Tests – Elements of Buildings Construction, Part-1 General Requirements, International Organization for Standardization, Switzerland, 1999.
• 18. L.P. Gao, D.Y. Wang, Y.Z. Wang, J.S. Wang, B. Yang, “A flame-retardant epoxy resin based on a reactive phosphorus-containing monomer of DODPP and its thermal and flameretardant properties”, Polym Degrad Stabil 93: 308-1315, 2008.
• 19. Y.X. Zhou, P.X. Wu, Z.Y. Cheng, J. Ingram, S. Jeelani, “Improvement in electrical, thermal and mechanical properties of epoxy by filling carbon nanotube”, Express Pol Let 2: 40-48, 2008. https://doi.org/10.3144/expresspolymlett.2008.6
• 20. S. Nazare, B.K. Kandola, A.R. Horrocks, “Flame-retardant unsaturated polyester resin incorporating nanoclays”, Polymers for Advanced Technologies, 17: 294-303, 2006. https://doi.org/10.1002/pat.687
• 21. A. Garbacz, E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, “On Mechanical Characteristics of HFRP Bars with Various Types of Hybridization”, In M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb, M. M. Reda Taha, U. Girum, & G. Moneeb (Eds.), International Congress on Polymers in Concrete (ICPIC 2018) : Polymers for Resilient and Sustainable Concrete Infrastructure. Washington: Springer, 653-658, 2018. http://doi.org/10.1007/978-3-319-78175-4_83
• 22. K. Protchenko, E.D. Szmigiera, M. Urbański, A. Garbacz, “Development of Innovative HFRP Bars”, MATEC Web of Conferences 196: 1-6, 2018. http://doi.org/10.1051/matecconf/201819604087
• 23. E.D. Szmigiera, K. Protchenko, M. Urbański, A. Garbacz, “Mechanical Properties of Hybrid FRP Bars and Nano-Hybrid FRP Bars”, Archives of Civil Engineering 65(1): 97-110, 2019. http://doi.org/10.2478/ace-2019-0007
• 24. K. Protchenko, J. Dobosz, M. Urbański, A. Garbacz, “Wpływ substytucji włókien bazaltowych przez włókna węglowe na właściwości mechaniczne prętów B/CFRP (HFRP)” [EN: Influence of the substitution of basalt fibres by carbon fibres on the mechanical behavior of B/CFRP (HFRP) bars]. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury, JCEEA 63, 1/1:149-156, 2016.
• 25. A. Abbasi, P. Hogg, “Fire Testing of Concrete Beams With Fibre Reinforced Plastic Rebar”, Composites Part A: Applied Sciences and Manufacturing 37(8):1142-1150, 2006. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2005.05.029
• 26. A. Nadjai, D. Talamona, F. Ali, “Fire Performance of Concrete Beams Reinforced with FRP Bars”, In: Proceedings of the International Symposium on Bond Behaviour of FRP in Structures (BBFS) 401-410, 2005.
• 27. E. Nigro, G. Cefarelli, A. Bilotta, G. Manfredi, E. Cosenza, “Performance under Fire Situations of Concrete Members Reinforced with FRP Rods: Bond Models and Design Nomograms”, Journal of Composites for Construction 16(4): 395-406, 2012. https://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000279
• 28. M. Rafi, A. Nadjai, F. Ali, P. O'Hare, “Evaluation of Thermal Resistance of FRP Reinforced Concrete Beams in Fire”, Journal of Structural Fire Engineering 2(2): 91-107, 2011. http://doi.org/10.1260/2040-2317.2.2.91
• 29. X. Wang, X. Zha, “Experimental Research on Mechanical Behavior of GFRP Bars under High Temperature”, Applied Mechanics and Materials 71-78: 3591-3594, 2011.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).