Influence of CFRP Confinement on Bond Behavior of Steel Bars Embedded in Concrete Exposed to Elevated Temperatures

Abstract

This study is presented in two parts. The first part reports the results of an experimental study where the axial capacity of fire-damaged specimens repaired by expansive cement concrete and CFRP wrap were investigated. Specimens were subjected to axial compressive loading and their resulting stress-strain curves were recorded. The cross section for some of the specimens were changed from square to circle shape. To modify the shape, expansive cement concrete has been utilized to fill the gap between the circular and the square cross sections. The test results indicated that heating the specimens up to 500°C caused a severe decline in compressive strength and the elastic modulus of concrete. Two layers of CFRP wrap around the concrete not only compensated the drop in compressive strength but furthermore it increased the strength beyond that of unheated specimen. After heating the square specimens, that were first subjected to shape modification and then wrapped by CFRP sheet, experienced increase in the strength and the elastic modulus. Therefore, the stiffness and the compression strength of fire-damaged square concrete specimens could be compensated fully by the use of shape modification and the CFRP wrapping of the cross section. The second part of the thesis has comprehensively studied the effectiveness of strengthening with CFRP wrapping for maintenance of bond behavior between bar and heat-damaged concrete. The effects of temperature (room temperature as reference, 200°C, 400°C, 600°C and 800°C), concrete cover (25 mm and 35 mm), concrete compressive strength (30 MPa and 40 MPa) and CFRP sheets have been investigated by performing bond test. The results show that strengthening with CFRP can effectively increase the bond strength of samples subjected to high temperature and also can change the failure mode from brittle to a more ductile one. Moreover, the mechanical properties decreased as the temperature increased, especially after 400°C, so that at 800°C, the compressive strength reduces to around 80%. It was observed that exposure to heat reduced the concrete-bar bond strength particularly for samples with thicker cover and higher compressive strength. But confinement with CFRP improved the bond strength significantly and this was particularly true for samples exposed to high temperature. The effectiveness of wrapped were more significant for samples with low compressive strength and thin concrete cover.

ÖZ: Bu doktora tezi yangında hasar görmüş bir yapı elemanının tamiri konusu ve de tamiri neticesinde betonun kapasindesindeki değişimlerin incelenmesini içermektedir. Tez çalışması, iki ana bölüm olarak özetlenebilir. Tezin birinci bölümü, yapılmış olan deneysel çalışma sonuçlarını içermektedir. Deney çalışmasında; yangında hasar görmüş deney numunelerinin, genleşen çimento kullanılarak ve de CFRP bandı ile sarılarak iyileştirilmesi neticesinde eksenel basınç dayanım kapasitelerindeki değişim araştırılmıştır. Bu amaç için; basınç dayanımına tabii tutulmuş numunelerin gerilme-şekil değiştirme eğrileri elde edilmiştir. Yükleme neticesinde, kesit alanda oluşmuş olan hasar veya değişim genleşebilen çimentodan üretilmiş beton ile kapatılmıştır. Deney neticeleri göstermiştir ki; beton numunelerinin 500°C’ye maruz kalmaları, hem basınç dayanımını hem de elastic modulusu ciddi miktarlarda azaltmıştır. Fakat, beton numunesi etrafına iki katman olarak uygulanmış olan CFRP, yalnızca basınç dayanımındaki kayıbı gidermekle kalmayıp, hiç ısıya maruz kalmamış olan numunelerin basınç dayanımlarının da üzerine çıkmıştır. Bu uygulama ile aynı zamanda elastik modulus da artış göstermiştir. Böylece, yangında hasar gönmüş kare beton numunelerinde hem elastic modulus hem de basınç dayanımı kayıpları, CFRP uygulaması ile bütünüyle giderilebilir neticesine varılmiştır. Tezin ikinci bölümünde; numunelerin etrafına sarılmış olan CFRP bandı uygulamasının, donate çeliği ile ısıdan hasar görmüş beton arasındaki bağın iyileştirilmesi konusuna etkileri, farklı ısı uygulamaları için araştırılmıştır. Çalışmanın bu bölümünde oda sıcaklığı referans alınarak 200°C, 400°C, 600°C ve 800°C sıcaklığa maruz kalmış beton numuneleri, iki farlı pas payı, 25 mm and 35 mm; iki farklı beton tipi, 30 MPa and 40 MPa ve de CFRP band uygulaması dikkate alınarak çekme dayanımına etkileri araştırılmıştır. Neticeler göstermiştir ki, beton numunelerinin CFRP bandı ile güçlendirilmeleri neticesinde, numunelerin bağ dayanımlarının önemli ölçude arttığı ve de gevrek davranış yerine daha çok sünek davranış sergiledikleri gözlemlenmiştir. Bunun yanısıra CFRP band uygulamasının düşuk dayanımlı ve de düşük pas payı olan beton numunelerde daha etkili olduğu anlaşılmıştır.