Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Programme doctoral Structures, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en composites CCLAB)

Structural behavior and durability of multifunctional fiber-reinforced polymer components

Riebel, Florian ; Keller, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3695.

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    Summary
    In the context of sustainable development, building insulation represents a major concern as a means of increasing energy efficiency. In order to comply with new norms such as the Passive House standard, locations where load-bearing components must penetrate the building's insulating envelope, such as when cantilevered slabs (e.g. balconies) are anchored to building walls, constitute a particular challenge. With conventional steel reinforcement, thermal bridges are inevitable and insulation is weakened. To overcome this deficiency, a multifunctional joint has been developed in which GFRP (glass-fiber reinforced polymer) elements performthe necessary structural functions without compromising the continuity of the building's insulating envelope. This is due to GFRP materials' low thermal conductivity, which is magnitudes smaller than that of concrete and steel, making them particularly suitable. The anchorage of balconies requires linkages that can resist shear as well as tensile and compression forces in the upper and lower parts of the slab. In a first step, a hybrid joint was created in which the lower compression steel reinforcement was replaced by a compression-shear (CS-)element made of GFRP. This consisted of a short pultruded profile with cap plates bonded to its cut ends. In addition to compression forces, the element was intended to bear parts of the shear load. The joint was investigated in various full-scale beam specimens each representing a section of the slab. Based on the results, the joint's structural behavior was modeled analytically and structural requirements for the CS-element were determined. It was seen that shear transfer through the element increased with increasing shear-to-moment ratios. In a second step, an all-GFRP joint was created in which, in addition to the element in the compression zone, a tension-shear (TS-)element replaced the remaining steel reinforcement. This element consisted of the same pultruded profile cut to longer sections and penetrating the concrete. To anchor the tensile forces in the concrete, ribs were bonded to its surface. This joint type was also investigated through full-scale beam experiments similar to the hybrid-joint beams. The load transfer through the joint and into the concrete was studied and modeled analytically. The behavior of the all-GFRP joint was as ductile as that of the hybrid joints. The TS-element bore the main portion of the shear load independently of the shear-to-moment ratio however. The CS-element used in both joint types was of special interest with regard to remaining strength and stiffness after long-term service life. Exposure to alkaline concrete-pore solution represents a particular threat to the polyester matrix and glass fibers inside the GFRP material. Therefore, CS-elements were immersed in alkaline liquids at different temperatures and their compression strength and stiffness were studied during a period of eighteen months. Material degradation was investigated by SEM-microscopic images and EDX-analysis. The observed loss of compressive strength was ascribed to moisture diffusion and chemical degradation of the fibers, matrix, and fiber-matrix interface. It was shown that the strength degradation rate at different temperatures followed the Arrhenius rate law and that remaining strength after long time spans could therefore be projected by extrapolating the measurements. Remaining strength after 70 years of service life was found to be sufficient for the element never to become the critical failure location and classic concrete theory can be applied to verify the joint. Since stiffness at high temperatures was observed to already remain constant after short exposure times, this value could directly be extrapolated to apply to a 70-year service lifespan.
    Zusammenfassung
    Vor dem Hintergrund nachhaltiger Entwicklung gewinnt die Gebäudedämmung zur Steigerung der Energieeffizienz von Bauwerken zunehmend an Bedeutung. Dies spiegelt sich auch in modernen Normen wider mit erheblich gesteigerten Anforderungen an die Dämmung. Bewehrung, die die äußere Isolationsschicht eines Gebäudes durchdringt, wie es beispielsweise bei Kragplattenverankerungen (z.B. Balkone) der Fall ist, stellen dabei eine besondere Herausforderung bei der Einhaltung dieser neuen Standards dar. Mit herkömmlicher Stahlbewehrung sind Kältebrücken an solchen Durchdringungen unvermeidlich und führen zu einer Schwächung der Dämmung. Um dies zu vermeiden wurden Anschlüsse entwickelt, in denen mehrfunktionale Bauteile aus GFK (Glasfaserverstärkter Kunststoff) lasttragende Funktionen übernehmen ohne die Gebäudedämmung zu unterbrechen. GFK-Materialien eignen sich besonders für diese Aufgabe, da ihre Wärmeleitfähigkeit die von Stahl oder Beton ummehrere Größenordnungen unterschreitet. Die Balkonverankerung erfordert Verbindungselemente, die in der Lage sind neben Schub auch Zug- und Druckkräfte im oberen bzw. unteren Plattenbereich abzutragen. In einem ersten Schritt wurde ein gemischter Anschluss entworfen in dem die Druckbewehrung im unteren Plattenbereich durch ein Druck-Schub-Element aus GFK ersetzt wurde. Es bestand aus einem kurzen, stranggezogenen Profil mit an den abgesägten Seiten angeklebten GFK-Kopfplatten. Neben Druckkräften war das Element zur Aufnahme eines Teils der Schubkraft vorgesehen. Dieser Anschluss wurde in verschiedenen maßstäblichen Balken untersucht, die jeweils einen Ausschnitt der Kragplatte darstellten. Basierend auf den Ergebnissen wurde das Tragverhalten des Anschlusses analytisch modelliert und die mechanischen Anforderungen an das Druck-Schub-Element bestimmt. Dabei wurde ein Zusammenhang festgestellt zwischen der Schubübertragung im GFK-Element und dem Verhältnis aus Schub und Moment. In einem zweiten Schritt wurde ein reiner GFK-Anschluss entworfen in dem, zusätzlich zu dem Element im Druckbereich, ein Zug-Schub-Element die verbleibende Stahlbewehrung ersetzte. Dieses Element bestand aus dem gleichen stranggezogenen Profil, welches zu diesem Zweck in längere Abschnitte geschnitten wurde, die beidseitig der Dämmfuge in den Beton eingebettet wurden. Dieser Anschlusstyp wurde ebenfalls in maßstäblichen Balkenversuchen, ähnlich denen des gemischten Anschlusses, untersucht und die Lastübertragung durch Anschluss und in den Beton wurde ermittelt und analytisch modelliert. Die Untersuchungen ergaben ein ähnlich duktiles Verhalten beider Anschlusstypen, jedoch nahm das Zug-Schub-Element unabhängig von der Belastungsart den Hauptteil der Schubkräfte auf. Ein weiterer Interessenschwerpunkt war das Langzeitverhalten des Druck-Schub-Elements in Hinblick auf Festigkeit und Steifigkeit. Insbesondere der Kontakt mit dem alkalischen Porenwasser des Betons stellt eine Gefährdung für die Polyestermatrix und die Glasfasern im GFK-Werkstoff dar. Aus diesem Grund wurden Druck-Schub-Elemente in alkalische Bäder mit unterschiedlichen Temperaturen gelegt und regelmäßig auf ihre Materialeigenschaften während eines Zeitraums von achtzehn Monaten hin getestet. Die Materialdegradation wurde unter Zuhilfenahme von Aufnahmen eines Rasterelektronenmikroskops und der Röntgenfluoreszenzanalyse erforscht. Der beobachtete Verlust an Druckfestigkeit wurde auf Diffusion und chemische Degradation derMatrix, der Fasern und derGrenzschicht zwischen Fasern und Matrix zurückgeführt. Es konnte gezeigtwerden, dass die Verlustraten für die Festigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen dem Arrheniusgesetz folgen und die Restfestigkeiten konnten somit vorhergesagt werden indem die gemessenen Werte zeitlich fortgeschrieben wurden. Die ermittelte Restfestigkeit war ausreichend, damit das Druck-Schub-Element auch nach einer Lebensdauer von 70 Jahren nicht versagensmaßgebend wird und gewöhnliche Bemessungsverfahren für Stahlbeton angewandt werden können um den Anschluss nachzuweisen. Da die Steifigkeit sich schon während der Messungen auf einem konstanten Niveau stabilisierte, war es möglich die gemessenen Werte direkt auf eine Lebensdauer von 70 Jahren anzuwenden.
    Résumé
    Dans le cadre du développement durable, l'isolation de bâtiments représente une mesure importante pour augmenter l'efficacité énergétique. Afin de réaliser de nouveaux standards, comme le standard pour les maisons en basse consommation d'énergie, les endroits où l'enveloppe isolatrice d'un bâtiment doit être pénétrée par des éléments structuraux représentent un défi particulier. Un tel cas se présente quand des dalles en porte-à-faux (p. ex. balcons) sont ancrées dans le mur du bâtiment. Lorsqu'on utilise une armature conventionnelle en acier, des ponts thermiques sont inévitables et l'isolation est affaiblie. Pour surmonter cette déficience, un joint multifonctionnel a été développé dans lequel des éléments en GFRP (matériaux composites renforcés par fibres de verre) exercent la fonction structural nécessaire, sans altérer la continuité de l'isolation du bâtiment. La conductivité thermique des matériaux GFRP est inférieure de plusieurs magnitudes par rapport à celle du béton et de l'acier, ce qui les rend particulièrement appropriés. L'ancrage des balcons requiert des liaisons aptes à résister à l'effort tranchant autant qu'aux forces de traction et de compression dues au moment de flexion. Dans une première étape, un joint hybride a été conçu pour remplacer l'armature de compression par un élément combiné en compression et cisaillement fabriqué en GFRP. Il consiste en un court profilé pultrudé avec des plaques de tête accolées aux surfaces coupées. Au-delà des forces de compression, l'élément est censé transmettre une partie des efforts tranchants. Le joint a été étudié dans des poutres diverses à l'échelle 1:1, représentant chacune une section de la dalle. Les résultats ont servi à modéliser analytiquement le comportement structural du joint et de déterminer les exigences structurales de l'élément. Il a été observé que les efforts tranchants augmentaient dans un rapport croissant entre cisaillement et moment appliqué. Une deuxième étape a visé à la création d'un joint dans lequel, en plus de l'élément dans la zone de compression, un élément combiné en traction et cisaillement a remplacé l'armature restante en acier. Cet élément consistait en le même profilé pultrudé, mais coupé dans des sections plus longues pénétrant le béton. Pour l'ancrage des forces de traction dans le béton servaient des nervures collées aux surfaces. Similairement au joint hybride, ce joint tout-GFRP a été étudié dans des poutres à l'échelle 1:1. Le transfert de la force à travers le joint et dans le béton a été analysé et modelé analytiquement. Il a été constaté que le comportement du joint tout-GFRP a été aussi ductile que celui du joint hybride. Indépendamment du rapport entre cisaillement et moment appliqué, l'élément traction/cisaillement transmettait la majorité de l'effort tranchant. L'élément compression/cisaillement utilisé dans les deux versions du joint était d'un intérêt particulier concernant l'aptitude de résistance et de rigidité au service à long terme. L'exposition aux solutions alcalines des pores du béton représente une menace à la matrice de polyester et aux fibres de verre dans le matériau GFRP, raison pour laquelle les éléments compression/cisaillement ont été immergés dans des liquides alcalins aux différentes températures et leur résistance et rigidité en compression ont été poursuivies pendant une période de dix-huit mois. La dégradation du matériau a été documentée par des images microscopiques MEB, ainsi que des analyses EDS. La perte de la résistance en compression a été attribuée à la diffusion de liquide et à la dégradation chimique des fibres, de la matrice ainsi que de l'interface entre les fibres et la matrice. Il a été démontré que la dégradation de la résistance suit la Loi d'Arrhenius, grâce à quoi la résistance résiduelle sur de longues périodes peut être déterminée par une extrapolation des mesures. La résistance résiduelle après une durée de vie de 70 ans a été jugée suffisante pour que l'élément ne devienne pas l'endroit critique où la rupture se produit, de sorte que la théorie classique du béton ait pu être appliquée pour vérifier le joint. La rigidité à températures élevées est restée constante déjà peu après le début de l'exposition, il a été possible de l'associer directement à une durée de vie de 70 ans.