Nośność na ścinanie zginanych elementów betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi FRP w świetle wybranych procedur obliczeniowych

• Autorzy: Wiater A. , Siwowski T.

Identyfikatory

DOI

10.7862/rb.2017.98

Warianty tytułu

EN

Shear capacity of concrete members reinforced with FRP rebars in the light of selected design procedures

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Pręty kompozytowe FRP (ang. fibre reinforced polymer) ze względu na wysoką wytrzymałość i odporność na korozję są obiecującą alternatywą dla tradycyjnego zbrojenia betonu i mają coraz szersze zastosowanie. W projektowaniu elementów betonowych zbrojonych prętami FRP na szczególną uwagę zasługuję zagadnienie nośności na ścinanie. Ścinanie jest zjawiskiem złożonym w konstrukcjach żelbetowych, a w przypadku zbrojenia kompozytowego opis mechanizmów jest jeszcze trudniejszy ze względu na liniowo sprężystą charakterystykę i anizotropowe właściwości prętów FRP. W pracy przeprowadzono przegląd procedur obliczeniowych dotyczących określania nośności na ścinanie elementów betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi, bez zbrojenia poprzecznego. Wyodrębniono trzy grupy procedur: (I) będące modyfikacją wzorów stosowanych w przypadku konstrukcji żelbetowych, (II) będące modyfikacją istniejących procedur projektowych dla elementów zbrojonych prętami FRP oraz (III) wzorów opracowanych w oparciu o analizę wyników badań doświadczalnych i zastosowania różnych narzędzi obliczeniowych. Przedstawiono analizę sposobu uwzględniania w dostępnych procedurach obliczeniowych wpływu parametrów zmiennych przekroju elementu, m.in. geometria elementu, smukłość ścinania, stopień zbrojenia podłużnego, moduł Younga kompozytu FRP oraz wytrzymałość betonu na ściskanie. Porównano wartości wyznaczone wybranymi procedurami i podjęto próbę określenia przyczyn wykazanych rozbieżności. Przeanalizowano również procedury uwzględniające zastosowanie betonu lekkiego i porównano wyznaczone według nich wartości z wynikami własnych badań doświadczalnych. Na podstawie przeprowadzonych analiz wykazano konieczność prowadzenia dalszych badań nad nośnością na ścinanie elementów z betonu lekkiego zbrojonego prętami kompozytowymi.

EN

FRP (fibre reinforced polymer) rebars due to high strength and excellent corrosion resistance, are a promising alternative for conventional steel reinforcement. The particular issue to be solved in designing of FRP reinforced concrete element is the prediction of shear capacity. Shear behaviour of steel reinforced concrete is a complex phenomenon. When using a FRP composite as reinforcement, the shear mechanism is different due to linearly elastic stress-strain relation and anisotropic bar properties. The main goal of the paper is the revision of the shear design equations for concrete members reinforced with FRP bars without stirrups. The shear prediction models have been grouped into three categories: (I) modification to design equations for the steel reinforced construction, (II) modification existing procedure for FRP reinforced concrete members, (III) new calculation methods based on experiment database and advanced calculation tools. In this study the analysis on different parameters affecting shear strength such as geometry of element, shear span to depth ratio, longitudinal reinforcement ratio, FRP modulus of elasticity and concrete strength have been taken into consideration. The several codes and models in predicting shear strength of concrete members reinforced with FRP rebars have been compared, and the dis296 A. Wiater, T. Siwowski crepancies and compatibilities have been established. The procedures including reduction factor for lightweight concrete have been also analysed and compared with experimental results from own studies. The result of this research indicates that the shear strength prediction of FRP reinforced members without stirrups needs much more extensive study, especially when lightweight concrete is used.

Słowa kluczowe

PL

zbrojenie niemetaliczne; kompozyt FRP; nośność na ścinanie; procedura obliczeniowa; beton lekki

EN

non-metallic reinforcement; FRP composite; shear strength; design procedure; lightweight concrete

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej
• Czasopismo: Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury / Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture
• Rocznik: 2017
• Tom: z. 64, nr 2/II
• Strony: 267--297
• Opis fizyczny: Bibliogr. 50 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Wiater A.

• Politechnika Rzeszowska, Zakład Dróg i Mostów, ul. Poznańska 2, 35-959 Rzeszów; tel. [phone]

autor

Siwowski T.

• Politechnika Rzeszowska, Zakład Dróg i Mostów, ul. Poznańska 2, 35-959 Rzeszów; tel. [phone]

Bibliografia

• [1] ACI 318:2005 Building Code Requirements for Structural Concrete, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2005.
• [2] ACI 440.1R-03 Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bar. American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2003.
• [3] ACI 440.1R-06 Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with FRP Bars. ACI Committee 440, ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2006.
• [4] ACI 440.1R-15 Guide for the design and construction of structural concrete reinforced with fiber-reinforced polymer (FRP) bars. ACI Committee 440, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2012.
• [5] Alam M. S.: Influence of different parameters on shear strength of FRP reinforced concrete beams without web reinforcement, Ph.D. Thesis, Memorial University of Newfoundland, 2010.
• [6] CAN/CSA S6-06 Canadian Highway Bridge Design Code(CHBDC), Canadian Standards Association, Rexdale, Ontario, Canada, 2006.
• [7] CAN/CSAS806-02 Design and Construction of Building Components with Fibre-Reinforced Polymers. CSA, Canadian Standards Association (CSA) International, Toronto, Canada, 2002.
• [8] CAN/CSA S806-12 Design and Construction of Building Components with Fiber-Reinforced Polymers. Canadian Standards Association, Mississauga, Ontario, Canada, 2012.
• [9] Chowdhury M. A., Zahid Z. I., Islam M. M.: Simplified Shear Strength Prediction Model of FRP Reinforced Concrete Beam without Web Reinforcement. First International Conference on Advances in Civil Infrastructure and Construction Materials (CICM 2015), At MIST, Dhaka, Bangladesh, 2015.
• [10] Chowdhury M., Ibna Zahid Z., Islam M.: Development of Shear Capacity Prediction Model for FRP-RC Beam without Web Reinforcement. Advances in Materials Science and Engineering, Volume 2016.
• [11] CNR DT 203 – 2006 Recommendations for the Design, Realization and Control Of Structures In Concrete Reinforced with Fiber-reinforced Composite Bars. Rome, Italy: National Research Council, 2006.
• [12] Deitz D. H., Harik I. E., Gersund H.: One- Way Slabs Reinforced with Glass Fiber Reinforced Polymer Reinforcing Bars,. In Proceedings, 4th International Symposium Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Reinforcement for Concrete Structures, FRPRCS4, Farmington Hills, MI: American Concrete Institut, 1999.
• [13] ECP 208:2005 Egyptian Code of Practice for Design Principles of the Use of Fiber Reinforced Polymers in Construction. Permanent Committee, Code No. 208, Cairo, Egypt, 2005.
• [14] El-Sayed A., El-Salakawy E., Benmokrane B.: Shear strength of concrete beams reinforced with FRP bars: Design method. Proceedings of the 7th International Symposium on Fiber Reinforced Polymer Reinforcement for Concrete Structures - FRPRCS-7, 2005.
• [15] EN 1992-1-1:2004 Eurocode 2: Design of concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings. European Committee for Standardisation, Brussels, 2004.
• [16] Golafshani E. M., Ashour A.: A feasibility study of BBP for predicting shear capacity of FRP reinforced concrete beams without stirrups. Advances in Engineering Software, 97, 2016.
• [17] Gremel D., Koch R.: Holistic approach to reduce the costs of bridge decks using FRP rebar, http://www.ktc.uky.edu/ (dostęp: 16.01.2017 r.).
• [18] Guadagnini M., Pilakoutas K., Waldron P.: Shear resistance of FRP RC beams: Experimental study. Journal of Composites for Construction, 10 (6), 2006.
• [19] Gurutzeaga M., Oller E., Ribas C., Cladera A., Mari A.: Influence of the longitudinal reinforcement on shear strength of one-way concrete slabs. Materials and Structures, Vol. 48, No. 8, 2015.
• [20] Hoult N. A., Sherwood E. G., Bentz E. C., Collins M. P.: Does the use of FRP reinforcement change the one-way shear behavior of reinforced concrete slabs?. Journal of Composites for Construction, Vol. 12, No. 2, 2008.
• [21] Institution of Structural Engineers (IStructE), Interim Guidance on the Design of Reinforced Concrete Structures Using Fibre Composite Reinforcement. IStructE, London, 1999.
• [22] ISIS: Reinforcing Concrete Structures with Fibre Reinforced Polymers. Design Manual No. 3, Canadian Network of Centres of Excellence on Intelligent Sensing for Innovative Structures, Winnipeg, 2007.
• [23] Jang H. S., Kim C. H.: Concrete Shear Strength of Normal and Lightweight Concrete Beams Reinforced with FRP Bars. Proceedings of The annual International Conference organized by the International Institute for Infrastructure, Renewal and Reconstruction (IIIRR) hosted by Kumamoto University will be held at Kumamoto, Japan, August 24 - 26, 2012.
• [24] Japan Society of Civil Engineers (JSCE): Recommendation for design and construction of concrete structures using continuous fibre reinforcing materials. Research Committee on Continuous Fiber Reinforcing Materials, Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, Japan, 1997.
• [25] Kara I. F.: Prediction of shear strength of FRP-reinforced concrete beams without stirrups based on genetic programming. Advances in Engineering Software, 42, 2011.
• [26] Knauff M.: Obliczanie konstrukcji żelbetowych według Eurokodu 2. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2012.
• [27] Kotynia R., Kaszubska M.: Nośność na ścinanie belek betonowych zbrojonych prętami kompozytowymi bez zbrojenia poprzecznego w świetle badań obcych. Inżynieria i Budownictwo, Nr 12/2016.
• [28] Kurth M., Hegger J.: Experimental and theoretical study on shear capacity of concrete beams with FRP reinforcement. In: Giorgio Monti (Hg.); 6th International Conference on FRP Composites in Civil Engineering (CICE 2012), Rom, Italien, 13.-15.06.2012.
• [29] Lee S., Lee C.: Prediction of shear strength of FRP-reinforced concrete flexural members without stirrups using artificial neural networks. Engineering Structures, 61, 2014.
• [30] Lignola G.P., Nardone F., Prota A., Manfredi G.: Assessment of Design Equation for The Shear Capacity of FRP-RC Members. Proceedings of 6th International Conference on Fiber Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil Engineering, 2012.
• [31] Mari A., Cladera A., Oller E., Bairan J.: Shear design of FRP reinforced concrete beams without transverse reinforcement. Composites: Part B, 57 , 2014.
• [32] Michaluk R., Rizkalla S., Tadros G., Benmokrane B.: Flexural behavior of one-way concrete slabs reinforced by fiber reinforced plastic reinforcements. ACI Structural Journal, 95(3), 1998.
• [33] Mossakowski P.: Pręty z kompozytów polimerowych z włóknami do zbrojenia betonowych konstrukcji inżynierskich. Drogi i Mosty, nr 1/2006, s. 35-52.
• [34] Nanni A., De Luca A., Zadeh H. J.: Reinforced Concrete with FRP Bars. Mechanics and Design. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2014.
• [35] Nasrollahzadeh K., Basiri M.: Prediction of shear strength of FRP reinforced concrete beams using fuzzy inference system. Expert Systems with Applications, 41, 2014.
• [36] Nehdi M., El Chabi, H., Aly Said A.: Proposed shear design equations for FRP reinforced concrete beams based on genetic algorithms approach. Journal of Materials in Civil Engineering, 19 (12), 2007.
• [37] Razaqpur A.G., Isgor O.B.: Proposed Shear Design Method for FRP Reinforced Concrete Members without Stirrups. ACI Structural Journal, 103(1), 2006.
• [38] Razaqpur A.G., Spadea S.: Shear Strength of Reinforced Concrete Elements Brackets with FRP. In: Proceedings of AIAS, 39th National Congress of Italian Association of Stress Analysis, Calabria, Italy, 2010.
• [39] Shahnewaz M, Machial R, Alam MS, Rteil A.: Optimized shear design equation for slender concrete beams reinforced with FRP bars and stirrups using Genetic Algorithm and reliability analysis. Engineering Structures,107, 2016.
• [40] Sherwood G. A., Lubell A. S., Bentz E. C., Collins M. P.: One-Way Shear Strength of Thick Slabs and Wide Beams. ACI Structural Journal, Vol. 103, Issue 6, 2006.
• [41] Szumigała M., Pawłowski D.: Zastosowanie kompozytowych prętów zbrojeniowych w konstrukcjach budowlanych, Przegląd Budowlany, 3/2014.
• [42] Thomas J., Ramadass S.: Parametric Study of Shear Strength of Concrete Beams Reinforced with FRP Bars, Journal of The Institution of Engineers (India): Series A, 97(3), 2016.
• [43] Tottori S., Wakui H.: Shear capacity of RC and PC beams using FRP reinforcement. In: Nanni A, Dolan C, editors. ACI SP-138. Detroit, Michigan: American Concrete Inst; 1993.
• [44] Tureyen A. K., Frosch R. J.: Concrete shear strength: another perspective. ACI Structural Journal, Vol. 10, No. 5, 2003.
• [45] Valivonis J., Budvytis B., Atutis M., Atutis E., Juknevičius L.: Study of shear resistance of fiber-reinforced polymer-reinforced concrete beams. Advances in Mechanical Engineering, Vol. 7(7), 2015.
• [46] Wegian F. M., Abdalla H. A: Shear Capacity of Concrete Beams Reinforced with Fiber Reinforced Polymers.Composite Structure, 71(1), 2005.
• [47] Wiater A., Rajchel M., Siwowski T.: Badania płyt pomostu z betonu lekkiego zbrojonego prętami kompozytowymi GFRP. Czasopismo Inżynierii Lądowej, Środowiska i Architektury/ Journal of Civil Engineering, Environment and Architecture, t. XXXII, z. 62 (4/15), październik-grudzień 2015, s. 469-492.
• [48] Yousif A. R.: Shear Strength Of Large FRP-Reinforced Concrete Beams Without Shear Reinforcement. ZANCO Journal for Pure and Applied Sciences, Vol. 27, No 3, 2015.
• [49] Zhang T., Visintin P., Oehlers D.: Shear strength of RC beams without web reinforcement. Australian Journal of Structural Engineering, Vol. 17(1), 2016.
• [50] Zsutty T. C.: Beam Shear Strength Prediction by Analysis of Existing Data. ACI Journal Proceedings, Vol. 65, No. 11, 1968.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018)