Shear strength testing of basalt-, hybrid-, and nano-hybrid fibre-reinforced polymer bars

• Autorzy: Protchenko Kostiantyn , Zayoud Fares , Urbański Marek

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.137171

Warianty tytułu

PL

Badanie wytrzymałości na ścinanie prętów BFRP, HFRP oraz nHFRP

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Over the past decades, using of sustainable materials in construction is a challenging issue, thus Fibre Reinforced Polymers (FRP) took the attention of civil and structural engineers for its lightweight and high-strength properties. The paper describes the results of the shear strength testing of three different types of bars: (i) basalt-FRP (BFRP), (ii) hybrid FRP with carbon and basalt fibres (HFRP) and (iii) nano-hybrid FRP (nHFRP), with modification of the epoxy matrix of the bar. The hybridization of carbon and basalt fibres lead to more costefficient alternative than Carbon FRP (CFRP) bars and more sustainable alternative than Basalt FRP (BFRP) bars. The BFRP, HFRP and nHFRP bars with different diameters ranging from Ø4 to Ø18 mm were subjected to shear strength testing in order to investigate mechanical properties and the destruction mechanism of the bars. Obtained results display a slight downward trend as the bar diameter increase, which is the most noticeable for HFRP bars. In most of the cases, BFRP bars were characterized by greater shear deformation and less shear strength compared to HFRP and nHFRP bars. Performed testing may contribute to comprehensive understanding of the mechanical behavior of those types of FRP bars.

PL

W ostatnich dziesięcioleciach coraz większą rolę odgrywa zastosowanie zrównoważonych materiałów w budownictwie. Dlatego pręty kompozytowe Fibre-Reinforced Polymers (FRP) zwróciły uwagę inżynierów budownictwa ze względu na szereg zalet takich jak: zwiększoną trwałość, pełny recykling, odporność na korozję, mały ciężar i wysoką wytrzymałość. W artykule opisano wyniki badań wytrzymałości na ścinanie trzech typów prętów kompozytowych: (i) złożonych z włókien bazaltowych (BFRP) i matrycy epoksydowej, (ii) hybrydowych - wykonanych z włókien bazaltowych z dodatkiem włókien węglowych oraz matrycy epoksydowej (HFRP) a także (iii) nano-hybrydowych (nHFRP), złożonych z włókien bazaltowych i węglowych z udziałem zmodyfikowanej matrycy epoksydowej z dodatkiem nanokrzemionki. Pręty HFRP i nHFRP są znacznie tańsze niż pręty wykonane wyłącznie z włókien węglowych Carbon FRP (CFRP) a jednocześnie znacznie bardziej sztywne w porównaniu do prętów wykonanych wyłącznie z włókien bazaltowych FRP (BFRP). Pręty BFRP, HFRP i nHFRP o średnicach w 6, 8 , 10 ,12, 14, 18 mm poddano badaniom wytrzymałości na ścinanie w celu określenia właściwości mechanicznych oraz mechanizmu zniszczenia. Uzyskane wyniki wykazują niewielką tendencję spadkową wytrzymałości na ścinanie wraz ze wzrostem średnicy pręta, co jest najbardziej zauważalne w przypadku prętów HFRP. W większości przypadków pręty BFRP charakteryzowały się większym odkształceniem na ścinanie i mniejszą wytrzymałością na ścinanie w porównaniu z prętami z HFRP i nHFRP. Przeprowadzone testy mogą przyczynić się do pełnego zrozumienia mechanicznego zachowania się tych typów prętów FRP.

Słowa kluczowe

EN

hybrid bar; fibre reinforced polymer; FRP; nano-hybrid fibre reinforced polymer; nHFRP bar; shear test; composite bar

PL

zbrojenie hybrydowe; polimer wzmocniony włóknami; FRP; pręt nHFRP; polimer wzmocniony włóknami nanohybrydowmi; wytrzymałość na ścinanie; pręt kompozytowy

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 2
• Strony: 323--336
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Protchenko Kostiantyn

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

• https://orcid.org/0000-0003-1357-2174

autor

Zayoud Fares

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

• https://orcid.org/0000-0002-8103-7379

autor

Urbański Marek

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

• https://orcid.org/0000-0002-3568-6888

Bibliografia

• [1] A. Ghobarah, T. El-Amoury, “Seismic rehabilitation of deficient exterior concrete frame joints”, Journal of Composites for Construction 9 (5): 408-416, 2005. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0268(2005)9:5(408)
• [2] S. Durgadevi, S. Karthikeyan, N. Lavanya, & C. Kavitha, “A review on retrofitting of reinforced concrete elements using FRP”, Materials Today: Proceedings 26: 3595-3599, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.03.148
• [3] A. Nanni, A. De Luca, H. Jawaheri Zadeh, “Reinforced concrete with FRP bars: Mechanics and design”, CRC Press, Boca Raton, FL, 182-188, 2014.
• [4] P. L. Narloch, M. Lidner, E. Kunicka, M. Bielecki, “Flexural tensile strength of construction elements made out of cement stabilized rammed earth”, Procedia Engineering, vol. 111, pp. 589-595, 2015. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.07.049
• [5] 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
• [6] P. Woyciechowski, P.L. Narloch, D. Cichocki, “Shrinkage characteristics of cement stabilized rammed earth”, MATEC Web of Conferences, vol. 117, no. 00178, 2017. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711700178
• [7] 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, pp. 667-674, 2018. http://doi.org/10.1007/978-3-319-78175-4_85
• [8] A. Khalifa, W. J. Gold, A. Nanni, and A. M. I. Aziz, “Contribution of externally bonded FRP to shear capacity of RC flexural members”, ASCE Journal of Composites for Construction, 2(4): 195-202, 1998.
• [9] B. Täljsten, “Strengthening of concrete structures for shear with bonded CFRP-fabrics”, Recent advances in bridge engineering, Advanced rehabilitation, durable materials, non-destructive evaluation and management, Eds. U. Meier and R. Betti, Dübendorf, 57-64, 1997.
• [10] T. C. Triantafillou, “Shear strengthening of reinforced concrete beams using epoxy bonded FRP composites”, ACI Structural Journal, 95(2), March-April, 107-115, 1998.
• [11] T. C. Triantafillou, and C. P. Antonopoulos, “Design of concrete flexural members strengthened in shear with FRP”, ASCE Journal of Composites for Construction, 4(4), 198-205, 2000.
• [12] H. Koerber, J. Xavier, P.P. Camanho, “High strain rate characterization of unidirectional carbon-epoxy im7-8552 in transverse compression and in-plane shear using digital image correlation”, Mechanic Material 2010, 42, 1004-1019, 2010.
• [13] T.J. Vogler, S. Kyriakides, “Inelastic behavior of an AS4/PEEK composite under combined transverse compression and shear”, Part I: Exp. International Journal Plastics 15, 783-806, 1999.
• [14] H.M. Hsiao, I.M. Daniel, R.D. Cordes, “Strain rate effects on the transverse compressive and shear behavior of unidirectional composites”, Journal Composite Material 33 (17), 1620-1642, 1999.
• [15] S. Nemat-Nasser, J.B. Isaacs, J.E. Starret, “Hopkinson techniques for dynamic recovery experiments”, Proceeding of the Royal Society of London, Series A. 435, 371-391, 1991.
• [16] R. Gulino, P. Schwartz, and S. L. Phoenix, “Experiments on shear deformation, debonding and local load transfer in a model graphite/glass/epoxy micro-composite”, Journal Materials Science, 26, 6655-6672, 1991.
• [17] B. Benmokrane, F. Elgabbas, E.A. Ahmed, P. Cousin, “Characterization and comparative durability study of glass/vinylester, basalt/vinylester, and basalt/epoxy FRP bars”, Journal of Composites for Construction 19 (6)04015008, 2015. http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)CC.1943-5614.0000564
• [18] G. Wu, X. Wang, Z.S. Wu, Z.Q. Dong, Q. Xie, Degradation of basalt FRP bars in alkaline environment, Science Engineering Composite Materials 22 (6) (2015) 649-657, 2015. http://dx.doi.org/10.1515/secm-2014-0040
• [19] F. Elgabbas, E.A. Ahmed, B. Benmokrane, “Physical and mechanical characteristics of new basalt-FRP bars for reinforcing concrete structures”, Construction Building Materials 95 623-635, 2015. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.07.036
• [20] M.S. Alam, A. Hussein, “Experimental investigation on the effect of longitudinal reinforcement on shear strength of fibre reinforcement on shear strength of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams”, Can Journal Civil Engineering 38:243-51, 2011.
• [21] A.K. El-sayed, E.F. El-Salakawy, B. Benmokrane, “Shear strength of FRP-reinforced concrete beams without transverse reinforcement” ACI Structural Journal 103(2):235-43, 2006.
• [22] A. K. El-sayed, E. F. El-Salakawy, B. Benmokrane, “Shear capacity of high-strength concrete beams reinforced with FRP bars”, ACI Structural Journal 103(3):383-9, 2006.
• [23] A. G. Razaqpur, B. O. Isgor, S. Greenaway, A. Selley, “Concrete contribution to the shear resistance of fibre reinforced polymer reinforced concrete members”, Journal of Composite for Construction 8(5):452-60, 2004.
• [24] T. Alkhrdaji, M. Wideman, A. Belarbi, A. Nanni, “Shear strength of RC beams and slabs”, In: Figueiras J., Juvandes L., Faria R., editors. Composites in construction. Lisse, The Netherlands: A.A. Balkema Publishers; p. 409-14, 2001.
• [25] J.R. Yost, S.P. Gross, D.W. Dinehart, “Shear strength of normal strength concrete beams reinforced with deformed GFRP bars”, Journal of Composite for Construction 5(4):263-75, 2001.
• [26] 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
• [27] K. Protchenko, K. Młodzik, M. Urbański, E. Szmigiera, & A. Garbacz, „Numerical estimation of concrete beams reinforced with FRP bars”, In MATEC web of conferences (Vol.86, p. 02011). EDP Sciences. Moscow, Russia. 2016.
• [28] 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.
• [29] 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.
• [30] J.W. Baur, C. Chen, R.S. Justice, D.W. Schaefer, “Highly dispersed nanosilica-epoxy resins with enhanced mechanical properties”, Polymer Vol. 49, pp. 3805-3815, 2008. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.06.023
• [31] Jesionowski, T.; Pilawka, R. Kompozycje epoksydowe z krzemionką [Epoxy composites with silica] Kompozyty 2009, Vol. 9, No. 2, pp. 112-116.
• [32] T. Jesionowski, R. Pilawka, „Kompozyty epoksydowe z krzemionką sieciowane 1-etylomimidazolem [Epoxy composites with silica crosslinked with 1-ethylimidazole]”, Kompozyty Vol. 11 No. 1: 14-17, 2011.
• [33] ANSYS® Academic Research Mechanical, Release 16.2, Help System, Coupled Field Analysis Guide; ANSYS, Inc.: Canonsburg, PA, USA, 2016.
• [34] 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
• [35] 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
• [36] K. Protchenko, F. Zayoud, E.D. Szmigiera, M. Urbański, „Tensile and Shear Testing of Basalt Fiber Reinforced Polymer (BFRP) and Hybrid Basalt/Carbon Fiber Reinforced Polymer (HFRP) Bars”, Materials, 2020, 13(24), 5839. https://doi.org/10.3390/ma13245839
• [37] American Concrete Institute (ACI). Guide test methods for fibre reinforced polymers (FRPs) for reinforcing or strengthening concrete structures. ACI: Farmington Hills, USA, 2006; ISBN 9780870317811.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).