Comparative analysis of the BFRP and steel reinforcement bars under fire conditions

• Autorzy: Wydra Małgorzata , Turkowski Piotr , Fangrat Jadwiga

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.149869

Warianty tytułu

PL

Analiza porównawcza prętów zbrojeniowych stalowych i BFRP w warunkach pożarowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The FRP reinforcement gained importance due to high tensile strength, high durability and ecological friendliness [1-7]. Its usefulness as the internal or Near Surface Mounted reinforcement in bent concrete elements has already been proven. Though, in terms of the compressive behaviour of the bars and concrete elements incorporating them, there are still few experimental and numerical considerations, especially when high temperatures are considered. This article contains further considerations on the performance of concrete columns with BFRP main reinforcement in fire resistance tests on the basis of previously presented authors’ numerical analyses. Comparative analysis in terms of temperatures, deformations and stresses of concrete columns with BFRP and steel main reinforcement in fire resistance tests is presented by the example of two columns, for which also experimental investigations were performed. Also, a comparative analysis of stress-strain relations for BFRP, steel and concrete at temperatures up to 600ºC is presented. It can be concluded that BFRP bars’ properties are strongly different when compressive and tensile performance is considered, especially at elevated temperatures. Tensile strength was higher for BFRP than steel at room temperature, but along with temperature growth, it came the other way (at around 600ºC). The compressive strength of the BFRP bars was higher than the value for concrete, but only for temperatures lower than 200ºC.

PL

Zbrojenie FRP zyskało znaczenie dzięki wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, wysokiej trwałości i małego wpływu na środowisko. Wykazano ich przydatność jako zbrojenia wewnętrznego lub mocowanego z zastosowaniem systemów NSM (ang. Near Surface Mounted) w betonowych elementach zginanych, analizując również ich zachowanie w warunkach pożarowych. Niewiele jest natomiast opracowań dotyczących ściskania prętów i ściskanych elementów betonowych zawierających tego typu zbrojenie, zwłaszcza w warunkach podwyższonej temperatury. W artykule zaprezentowano wyniki uzupełniających badań w zakresie oceny odporności ogniowej słupa ze zbrojeniem głównym BFRP (ang. Basalt Fibre Reinforced Polymer), na podstawie przedstawionych wcześniej analiz numerycznych. Przeprowadzono analizę porównawczą pod kątem temperatury, odkształceń i naprężeń słupa ze zbrojeniem głównym stalowym lub BFRP w badaniach odporności ogniowej. Symulacje numeryczne odporności ogniowej wybranych elementów mają odzwierciedlenie w przeprowadzonych wcześniej badaniach. Wyniki badań materiałowych (np. dynamiczna analiza mechaniczna DMA – ang. Dynamic Mechanical Analysis, analiza termograwimetryczna TGA – ang. Thermogravimetric Analysis, testy mechaniczne ściskania/rozciągania w temperaturze pokojowej i w wysokich temperaturach) na prętach BFRP zostały omówione we wcześniejszych pracach autorów. W pierwszej kolejności przeprowadzono analizę porównawczą dla relacji naprężenie-odkształcenie trzech materiałów (BFRP, stal i beton) dla różnych zakresów temperatur. Wyniki wcześniejszych własnych badań wykorzystano do ustalenia wytrzymałości na ściskanie w temperaturze pokojowej i podwyższonej oraz wytrzymałości na rozciąganie prętów BFRP w temperaturze pokojowej.

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 2
• Strony: 371--385
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wydra Małgorzata

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Mechanics and Petrochemistry, Płock, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4629-9656

autor

Turkowski Piotr

• Building Research Institute, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0020-0091

autor

Fangrat Jadwiga

• Building Research Institute, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-7871-0032

Bibliografia

• [1] L.C. Bank, Composites for construction: structural design with FRP materials. Hoboken: John Wiley & Sons Inc., 2006.
• [2] C. Burgoyne, et al., Technical report: FRP (Fibre Reinforced Polymer) reinforcement in RC structures. Lausanne: fédération internationale du béton (fib), 2007.
• [3] P. Thiyagarajan, V. Pavalan, and R. Sivagamasundari, “Mechanical characterization of basalt fibre reinforced polymer bars for reinforced concrete structures”, International Journal of Applied Engineering Research, vol. 13, no. 8, pp. 5858-5862, 2018.
• [4] K. Pareek and P. Saha, “Basalt fiber and its composites : an overview”, in Proceedings of National Conference on Advances in Structural Technologies (CoAST-2019). Silchar: National Institute of Technology, 2019.
• [5] M.Z. Naser, R.A. Hawileh, and J.A. Abdailla, “Fiber-reinforced polymer composites in strengthening reinforced concrete structures: A critical review”, Enginereeing Structures, vol. 198, art. no. 109542, 2019, doi: 10.1016/j.engstruct.2019.109542.
• [6] B. Elgabbas, F. Ahmed, and E. Benmokrane, “Basalt FRP reinforcing bars for concrete structures”, in Proceedings of 4th Asia-Pacific Conference on FRP in Structures APFIS 2013. Melbourne: International Institute for FRP in Construction, 2013.
• [7] D. Lau, Q. Qiu, A. Zhou, and C.L. Chow, “Long term performance and fire safety aspect of FRP composites used in building structures”, Construction and Building Materials, vol. 126, pp. 573-585, 2016, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.09.031.
• [8] C. Maraveas, K. Miamis, and A.A. Vrakas, “Fiber-reinforced polymer-strengthened/reinforced concrete structures exposed to fire: A review”, Structar Engineering International, vol. 22, no. 4, pp. 500-513, 2012, doi: 10.2749/101686612X13363929517613.
• [9] J.P. Firmo, J.R. Correia, and L.A. Bisby, “Fire behaviour of FRP-strengthened reinforced concrete structural elements: A state-of-the-art review”, Composites Part B: Engineering, vol. 80, pp. 198-216, 2015, doi: 10.1016/j.compositesb.2015.05.045.
• [10] M.Z. Naser, R.A. Hawileh, and J.A. Abdalla, “Fiber-reinforced polymer composites in strengthening reinforced concrete structures: A critical review”, Engineering Structures, vol. 198, art. no. 109542, 2019, doi: 10.1016/j.engstruct.2019.109542.
• [11] N.C. Keong, M.A.A. Kadir, N. Zuhan, M.N.M.A. Mastor, and M.N.A. Alel, ”Fire resistance of FRP strengthening concrete beams at elevated temperature using ABAQUS”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 2, pp. 105-123, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140632.
• [12] M. Wydra, P. Turkowski, P. Dolny, et al., “Basalt Fibre Reinforced Polymer bars as main reinforcement of axially compressed concrete column – experimental and numerical considerations of fire resistance”, Fire Safety Journal, vol. 140, art. no. 103898, 2023, doi: 10.1016/j.firesaf.2023.103898.
• [13] S. Seręga, “Effect of transverse reinforcement spacing on fire resistance of high strength concrete columns”, Fire Safety Journal, vol. 71, pp. 150-161, 2015, doi: 10.1016/j.firesaf.2014.11.017.
• [14] M. Wydra, P. Dolny, G. Sadowski, N. Grochowska, P. Turkowski, and J. Fangrat, “Analysis of thermal and mechanical parameters of the BFRP bars”, Materials Proceedings, vol. 13, no. 1, pp. 1-9, 2023, doi: 10.3390/materproc2023013024.
• [15] EN 1992-1-2:2004: Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design.
• [16] EN 1992-1-1:2008 Eurocode 2: Design of concrete structures – Part 1–1 General rules and rules for buildings.
• [17] A.A. Hamze, R. Al-Taher, A. Taji, D. Yazbak, and F. Abed, “Developing interaction diagram for BFRP-RC short columns using FEA”, in 2019 8th International Conference on Modeling Simulation and Applied Optimization (ICMSAO). Bahrain: IEEE, 2019.
• [18] F. Aydin, “Experimental investigation of thermal expansion and concrete strength effects on FRP bars behavior embedded in concrete”, Construction and Building Materials, vol. 163, pp. 1-8, 2018, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.12.101.
• [19] W.I. Alnahhal, M. Chiewanichakorn, A.J. Aref, and S. Alampalli, “Temporal thermal behavior and damage simulations of FRP deck”, Journal of Bridge Engineering, vol. 11, no. 4, pp. 452-464, 2006, doi: 10.1061/(ASCE)1084-0702(2006)11%3A4(452).
• [20] I.D.G.A. Subagia, I.K.G. Sugita, I.K.G. Wirawan, N.M. Dwidiani, and A.H. Yuwono, “Thermal conductivity of carbon/basal fiber reinforced epoxy hybrid composites”, International Journal of Technology, vol. 8, no. 8, pp. 1498-1506, 2017, doi: 10.14716/ijtech.v8i8.701.
• [21] I.S. Abbood, S.A. Odaa, K.F. Hasan, and M.A. Jasim, “Properties evaluation of fiber reinforced polymers and their constituent materials used in structures – A review”, MaterialsToday Proceedings, vol. 43, no. 2, pp. 1003-1008, 2021, doi: 10.1016/j.matpr.2020.07.636.
• [22] E.P. Najafabadi, A.V. Oskouei, M.H. Khaneghahi, P. Shoaei, and T. Ozbakkaloglu, “The tensile performance of FRP bars embedded in concrete under elevated temperatures”, Construction and Building Materials, vol. 211, pp. 1138-1152, 2019, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.03.239.
• [23] EN 1363-1:2020 Fire resistance tests – Part 1: General requirements. 2020.
• [24] E. Barreira, R.M.S.F. Almeida, and M.L. Simões, “Emissivity of building materials for infrared measurements”, Sensors, vol. 21, no. 6, pp. 1-13, 2021, doi: 10.3390/s21061961.
• [25] E. Mandanici, P. Conte, and V.A. Girelli, “Integration of aerial thermal imagery, LiDAR data and ground surveys for surface temperature mapping in urban environments”, Remote Sensors, vol. 8, no. 10, 2016, doi: 10.3390/rs8100880.
• [26] “Surface emissivity why this matters”, MPA The Concrete Centre. [Online]. Available: https://www.concrete centre.com/Performance-Sustainability/Thermal-Mass/Surface-emissivity-why-this-matters.aspx