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Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams Using Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPC)

Tongxu Liu

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

A substantial number of concrete beams in buildings and bridges have an increasing demand for repairing and strengthening to recover or improve their structural capacities and durability. Compared with other existing strengthening methods, Ultra high-performance concrete (UHPC) is a promising material for repairing existing concrete elements due to its superior mechanical properties and durability. However, the shear behavior of the UHPC-strengthened concrete beams is unclear and required further investigation. This research investigates the shear behavior of normal strength concrete (NSC) beams strengthened by horizontal and lateral configurations of Firstly, an experimental campaign on the 10 NSC T-beams was conducted to investigate the shear behavior of UHPC-strengthened NSC beams with different strengthening configurations, layer thicknesses, and anchors at the repair interface. T-beams with UHPC bottom layer ending before the support is conducted for the first time, which is a more realistic configuration than other configurations with UHPC bottom layer crossing over the support. Load-deflection curves,strain distributions, and both lateral and cross-sectional cracking patterns in each beam were analyzed to determine their failure modes and the effect of the test parameters.UHPC layers. Firstly, an experimental campaign on the 10 NSC T-beams was conducted to investigate the shear behavior of UHPC-strengthened NSC beams with different strengthening configurations, layer thicknesses, and anchors at the repair interface. T-beams with UHPC bottom layer ending before the support is conducted for the first time, which is a more realistic configuration than other configurations with UHPC bottom layer crossing over the support. Load-deflection curves, strain distributions, and both lateral and cross-sectional cracking patterns in each beam were analyzed to determine their failure modes and the effect of the test parameters. The experimental study showed that substantial improvement in shear capacities and beam stiffnesses can be achieved by different UHPC strengthening configurations, especially in lateral and U-shaped configurations. UHPC strengthening using lateral layers is the most efficient configuration for improving shear capacity without increasing the sectional height of the beam, while a U-shaped jacket configuration is recommended when a substantial increase in beam stiffness is required. Separation and shear failure was first identified in beams UHPC bottom layer ending before the support, and it is suggested not to use the bottom layer alone in strengthened beams due to its premature failure. Installation of anchors at the repair interface is recommended to achieve more ductile failure mode.»

Résumé

Un nombre important de poutres en béton dans les bâtiments et les ponts requièrent une réparation et un renforcement pour récupérer ou améliorer leurs capacités structurelles et leur durabilité. Comparé aux autres méthodes de renforcement existantes, le béton à ultra hautes performances (BFUP) est un matériau prometteur pour la réparation d'éléments en béton existants en raison de ses propriétés mécaniques et de sa durabilité exceptionnelles. Cependant, le comportement en cisaillement des poutres en béton armé renforcé en BFUP n'est pas clairement établi et a nécessité une étude plus approfondie. Ce projet étudie le comportement en cisaillement de poutres en béton ordinaire (BO) renforcées par des couches horizontales et latérales de BFUP. Premièrement, une campagne expérimentale a été menée pour étudier le comportement en cisaillement de 10 poutres en T en BO renforcées en BFUP avec différentes configurations de renforcement en BFUP (couches latérale ou horizontale), différentes épaisseurs de couche (25 et 50 mm) et avec opu sans ancrages à l'interface de réparation. Les poutres en T avec couche horizontale en BFUP se terminant avant le support a été étudié pour la première fois, il s’agit d’une configuration plus réaliste de renforcement que lorsque la couche traverse le support. Pour l’ensemble des poutres testées, les courbes charge-déformation, les distributions de déformation et les patrons de fissuration ont été analysés pour déterminer leurs modes de défaillance et l'effet des paramètres d'essai. L'étude expérimentale sur poutre en T a montré qu'une amélioration substantielle des capacités en cisaillement et de la rigidité des poutres peut être obtenue par différentes configurations de renforcement en BFUP, en particulier dans les configurations latérales et en forme de U. Le renforcement en BFUP utilisant des couches latérales est la configuration la plus efficace pour améliorer la capacité en cisaillement sans augmenter la hauteur de la poutre, tandis qu'une configuration en forme de U est recommandée lorsqu'une augmentation substantielle de la rigidité de la poutre est requise. La rupture par séparation et cisaillement a été identifiée pour la première fois dans la configuration de renforcement horizontale en BFUP se terminant avant le support, ainsi il est suggéré de ne pas utiliser la couche horizontale seule dans les poutres renforcées en raison de sa rupture prématurée. L'installation d'ancrages à l'interface de réparation est recommandée pour obtenir un mode de rupture légèrement plus ductile des poutres.»

Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie civil
Academic/Research Directors: Jean-Philippe Charron
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53336/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Jul 2023 09:09
Last Modified: 13 Dec 2023 09:37
Cite in APA 7: Liu, T. (2023). Shear Strengthening of Reinforced Concrete Beams Using Ultra High Performance Fiber Reinforced Concrete (UHPC) [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53336/

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