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Conference Paper

Biscaia, H, Franco N, Nunes R, Chastre C.  2016.  Old suspended timber floors flexurally-strengthened with different structural materials. 15th International Conference on Fracture and Damage Mechanics. (Jesús Toribio, Vladislav Mantič, Andrés Sáez, M.H. Ferri Aliabadi, Ed.)., Alicante, Spain Abstract

The design of timber beams has strict limits when it comes to the Serviceability Limit States (SLS) either in short-term or in long-term deflections. In order to face this aspect efficiently, the increase of the cross section of the beams might be considered as a solution. However, the prohibitive increase of the costs associated to this solution or the change of the initial architecturedesign of the building, opens the opportunity to find new and more efficient solutions. In that way, the use of additional reinforcements to the timber beams may be seen as a promising solution because either new or old structures would keep always their original aesthetical aspect with no significant self-weight increase and improving their behaviour to short and long-term actions.Therefore, the current study is dedicated to the analysis of composite timber beams where Fiber Reinforcement Polymers (FRP), steel or stainless steel are used to improve the stiffness, strength and deflection behaviour of old suspended timber floors. An experimental program was conducted where old suspended timber floors reinforced with CFRP strips were subjected to 4-point bending tests. A simplify nonlinear numerical model was developed to simulate the bending behaviour of the specimens and several other cases with other reinforcement configurations and different structural materials were assumed. The numerical analysis herein presented also takes into account both Ultimate and Serviceability Limit States of the reinforced specimens.

Biscaia, H, Chastre C, Cruz D, Franco N, Nunes R.  2016.  Avaliação experimental de diferentes ligações coladas, 4-6 July 2016. TEST&E 2016 - 1º Congresso de Ensaios e Experimentação em Engenharia Civil. :8., IST, Lisbon, Portugal Abstractteste2016_-_01050_-_biscaia.pdf

A utilização de materiais compósitos de matriz polimérica (Fiber Reinforced Polymers - FRP) como armadura de reforço de diferentes elementos estruturas de várias naturezas (e.g. betão armado, aço, madeira ou alvenaria) tem vindo a suscitar o interesse da comunidade científica internacional. Inicialmente, a simples colagem pelo exterior dos compósitos de FRP aos elementos estruturais permitiu identificar um fenómeno de descolamento prematuro do compósito para níveis de extensão muito aquém dos seus limites de rotura. Com base na experimentação, algumas teorias têm surgido no sentido de explicar o fenómeno do descolamento prematuro dos FRPs. Por outro lado, outras técnicas de reforço têm sido propostas com o objetivo de adiar ou simplesmente eliminar esse fenómeno. Neste trabalho, são analisadas diferentes ligações coladas entre laminados de CFRP e outros materiais tais como, o betão armado, o aço e a madeira. Duas técnicas de reforço por colagem vulgarmente citadas na literatura internacional foram utilizadas: Externally Bonded Reinforcement (EBR) e Near Surface Mounted (NSM). Os resultados experimentais permitiram constatar que o desempenho local das ligações estudadas é distinto, tendo-se observado que as relações entre a tensão de aderência e o deslocamento relativo entre superfícies é: (i) na ligação CFRP/betão do tipo não linear e caracteriza-se por, após atingir-se uma tensão de aderência máxima, o descolamento ocorre quando a tensão de aderência tende para zero; (ii) na ligação CFRP/aço o desempenho é do tipo bi-linear, i.e. com um troço inicial retilíneo até atingir-se uma tensão de pico seguindo-se um troço linear descendente até tensão de aderência nula; e (iii) na ligação CFRP/madeira o desempenho é do tipo tri-linear, i.e. similar à ligação CFRP/aço mas com um troço constante a seguir ao troço linear descendente e que se esgota para um deslocamento relativo último.

Franco, N, Chastre C, Biscaia HC.  2014.  Análise do desempenho à flexão de vigas de betão armado reforçadas com armaduras de aço inoxidável. JPEE2014 – 5ª Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas, Encontro Nacional Betão Estrutural 2014.. , LNEC, Lisboa. Abstractartigo_jpee_2014_franco_chastre_biscaia.pdf

Apresentam-se neste artigo os resultados dos ensaios realizados à escala real de um conjunto de vigas de betão armado com secção em T, levados a cabo para avaliar o desempenho das armaduras de aço inoxidável no reforço à flexão de vigas de betão armado com armaduras pós-instaladas aplicadas com as técnicas de reforço EBR (Externally Bonded Reinforcement), NSM (Near Surface Mounted) e EBR com ancoragens metálicas nas extremidades. Os ensaios realizados demonstraram que as técnicas de reforço utilizadas permitem aumentar a rigidez à flexão em regime elástico. Porém, a viga reforçada através da técnica EBR teve uma rotura prematura antes de atingir o valor da carga de cedência da viga não reforçada. Já as vigas reforçadas com as técnicas NSM e EBR com ancoragens mecânicas superaram o valor da carga de cedência da viga de referência, e as ancoragens mecânicas proporcionaram bastante ductilidade à viga reforçada com esta técnica.

Franco, N, Chastre C, Biscaia H.  2016.  Análise do desempenho da técnica CREatE para reforço à flexão de vigas de betão armado com armaduras de aço inoxidável, 2-4 November 201. Encontro Nacional Betão Estrutural 2016. :10., FCTUC, Coimbra, Portugal Abstractbe_2016_paper_74_noel__franco.pdf

Neste artigo apresentam-se as principais características da técnica de reforço Continuous Reinforcement Embedded at Ends (CREatE), os procedimentos de aplicação e as vantagens e limitações da sua utilização. Apresentam-se também os resultados dos ensaios realizados para avaliar o desempenho desta técnica no reforço à flexão de vigas de betão armado com secção transversal em T, reforçadas com armaduras pós-instaladas de aço inoxidável, coladas pelo exterior ou inseridas na zona de recobrimento. As vigas reforçadas com a técnica CREatE e ensaiadas à flexão em quatro prontos apresentaram elevados acréscimos de resistência e ductilidade quando comparadas com as vigas reforçadas com as técnicas tradicionais - Externally-Bonded Reinforcement (EBR) e Near Surface Mounted (NSM). As vigas reforçadas com a técnica CREatE foram sujeitas a carregamentos monotónicos ou cíclicos, tendo-se constatado que as roturas prematuras que estão associadas às técnicas tradicionais anteriormente referidas nunca foram observadas nas vigas reforças com esta técnica. Desenvolveu-se um modelo numérico simples, e com boa precisão, para modelar o desempenho das vigas de betão armado, sendo os resultados apresentados e discutidos.

Biscaia, H, Chastre C, Cruz D, Franco N.  2016.  A New Bonding Technique for the Rehabilitation of Old Timber Floors with CFRP Composites, 13-16 September . 41th IAHS Word Congress of Housing. Sustainability and Innovation for the Future. :10., Albufeira, Portugal Abstract41_iahs_2016_-_hugo_biscaia_-_ext-abstract.pdf

Despite the number of applications with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) have been grown in civil constructions, the studies available in the literature dedicated to the strengthening of old timber beams are very rare. This paper analyses the bending behaviour of old suspended timber floors flexurally-strengthened with CFRP laminates. A new bonding technique developed by the authors is presented which mainly consists on the embedding of both CFRP ends into the core of the timber beams. Differences between the traditional strengthening, i.e. Externally Bonded Reinforcement (EBR), and the new bonding technique are reported. A timber pavement without any CFRP laminate bonded to its soffit was also considered and the results were used as reference values for comparison with the strengthened specimens. The results revealed that the CFRP laminate used for the flexurally-strengthened of the specimen according to the EBR technique reached only 27.2% of the rupture strain of the CFRP laminate whereas the new bonding technique was capable to prevent the premature debonding of the CFRP from the timber substrate and the rupture of the CFRP laminate was observed. Furthermore, the strain distributions in the CFRP laminates and the bond stresses within the CFRP-to-timber interfaces were affected when the new technique was used. For the sake of better understanding the rupture modes observed, a numerical approach was developed which allowed us to conclude that, until the collapse of the beams, the timber never reached its yielding point and the collapse were mainly due to the poor quality of the timber (e.g. quantity of knot, cracks and irregular geometries) and the low shear capacity of the beams.

Biscaia, H, Chastre C, Cruz D, Franco N, Nunes R.  2016.  Reforço à flexão de pavimentos antigos de madeira com recurso a laminados de fibras de carbono, 4-6 July 2016. TEST&E 2016 - 1º Congresso de Ensaios e Experimentação em Engenharia Civil. :8., IST, Lisbon, Portugal Abstractteste2016_-_01049_-_biscaia.pdf

O dimensionamento de vigas de madeira aos Estados Limites de Utilização (ELUt) tem limites muito apertados tanto para ações de curto prazo como para ações de longo prazo. Uma solução eficiente para este problema passa por aumentar as seções transversais das vigas. Porém, este tipo de solução não só acarreta um aumento de custos como também altera profundamente arquitetura original do edifício abrindo, por conseguinte, uma oportunidade para encontrar outras soluções mais eficientes. Neste sentido, o uso de armaduras de reforço em vigas de madeira pode ser considerado como uma solução promissora uma vez que as estruturas, novas ou velhas, manteriam o aspeto estético original sem introduzir nos elementos reforçados, um aumento significativo do seu peso próprio, melhorando o seu desempenho face a ações de curto e longo prazo. O presente estudo é dedicado à análise de vigas de madeira antigas reforçadas à flexão com materiais compósitos de fibras de carbono, vulgarmente designados na literatura internacional por Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP). Neste trabalho, foram reforçados e ensaiados à flexão pavimentos antigos de madeira tendo-se analisado os respetivos desempenhos aquando da utilização de uma técnica de reforço por colagem tradicional (Externally Bonded Reinforcement - EBR) e aquando da utilização de uma técnica de reforço por colagem inovadora (Continous Reinforcement Embedded at Ends - CREatE). Os ensaios experimentais permitiram verificar que a técnica de colagem inovadora CREatE confere aos pavimentos de madeira uma maior rigidez e resistência face à técnica tradicional conseguindo se mobilizar a totalidade do compósito de CFRP.

Chastre, C, Biscaia H, Monteiro A, Franco N.  2016.  Análise experimental de vigas de betão armado reforçadas à flexão com compósitos de FRP, 4-6 July 2016. TEST&E 2016 - 1º Congresso de Ensaios e Experimentação em Engenharia Civil. :8., IST, Lisbon, Portugal Abstractteste2016_-_01066_-_chastre.pdf

O reforço das estruturas de betão armado com compósitos de FRP tem tido um incremento considerável nos últimos anos devido às características de durabilidade e das elevadas relações resistência-peso e rigidez-peso dos compósitos de FRP comparativamente com outros materiais de reforço. A fim de analisar o comportamento de diferentes soluções de reforço estrutural de vigas de betão armado (BA) com compósitos de FRP foi realizado um programa experimental que incluiu o ensaio de vigas de BA reforçadas com as seguintes técnicas de reforço: EBR (Externally-Bonded Reinforcement), NSM (Near Surface Mounted) e pela técnica CREatE (continuous reinforcement embedded at ends). As vigas de BA ensaiadas tinham seção em T, com um vão de 3,0 m e uma altura de 0,3 m e foram solicitadas em flexão em 4 pontos e testadas até a rotura. A técnica CREatE provou ser a mais eficaz das três alternativas testadas mobilizando a totalidade do CFRP e apresentando a maior capacidade resistente e a ductilidade mais elevada.

Franco, N, Chastre C, Biscaia H.  2016.  Novo sistema de reforço à flexão de vigas de betão armado com armaduras de aço inoxidável aplicadas pelo exterior, 27-29 September. II Encontro Luso-Brasileiro de Degradação de Estruturas de Betão. :12p.., LNEC, Lisbon, Portugal Abstractdegrada_2016_-_noel_franco_-_ext-abstract.pdf

O reforço à flexão de vigas de betão armado tem apresentado uma evolução com tendência para soluções onde são utilizadas armaduras à base de materiais compósitos de fibras de Carbono, Vidro, Basalto ou Aramida, aplicadas com as técnicas Externally Bonded Reinforcement (EBR) ou Near Surface Mounted (NSM). No entanto, o comportamento elástico-linear destes materiais e as roturas tendencialmente frágeis das soluções condicionam a sua utilização em estruturas onde se pretende alguma ductilidade. Por conseguinte, procurou-se desenvolver um sistema de reforço estrutural alternativo e inovador em que os materiais de reforço aplicados, conjuntamente com a solução de reforço, conseguissem minimizar ou eliminar os riscos de roturas prematuras e ao mesmo tempo aumentassem a ductilidade dos elementos reforçados. Neste trabalho, apresenta-se em pormenor este novo sistema de reforço à flexão de vigas de betão armado com armaduras de aço inoxidável ancoradas internamente por aderência. Neste sistema de reforço as armaduras são contínuas e pós-instaladas pelo exterior, ficando as extremidades ancoradas por aderência no interior do elemento estrutural. Apresentam-se e discutem-se os resultados dos ensaios realizados para avaliar o desempenho das vigas de betão armado reforçadas com esta nova técnica. Os modos de rotura observados são também motivo de análise mais detalhada. Evidenciam-se alguns benefícios na utilização deste sistema de reforço inovador, nomeadamente ao nível da capacidade resistente última das vigas de betão armado e fazem-se algumas recomendações para a sua aplicação e utilização na reabilitação de elementos estruturais degradados.

Chastre, C, Biscaia H, Franco N.  2016.  Reforço de Vigas de Betão Armado com Armaduras Pós-Instaladas de Aço ou de FRP, 12-14 October 20. 10º Congresso de Mecânica Experimental (CNME 2016). :12., LNEC, Lisbon, Portugal Abstractcnme2016_paper_45_chastre.pdf

Apresentam-se e analisam-se um conjunto de ensaios realizados em vigas de betão armado reforçadas com armaduras pós-instaladas de aço ou de FRP, incluindo os referentes a uma nova técnica (CREatE) desenvolvida na FCT NOVA, tendo-se concluído que a técnica CREatE possibilita aumentos de resistência e ductilidade consideráveis face às técnicas tradicionais.

Chastre, C, Monteiro A, Biscaia H, Franco N.  2016.  Novo sistema de reforço estrutural de vigas de betão armado com compósitos de FRP ancorados internamente por aderência, 27-29 September. II Encontro Luso-Brasileiro de Degradação de Estruturas de Betão. :12p.., LNEC, Lisbon, Portugal Abstractdegrada_2016_-_carlos_chastre_-_ext-abstract.pdf

A reabilitação de estruturas de betão armado com compósitos de FRP tem tido uma grande aceitação em especial devido às excelentes características de durabilidade dos materiais compósitos, ao seu baixo peso e às suas elevadas prestações mecânicas. Contudo, o comportamento elástico-linear dos compósitos de FRP e a sua forma de aplicação pode originar roturas prematuras, quer na técnica de reforço EBR (Externally Bonded Reinforcement), em que o compósito é colado externamente, quer na técnica NSM (Near Surface Mounted) em que o compósito é inserido na zona do recobrimento. No sentido de minimizar o risco de roturas prematuras e ao mesmo tempo aumentar a ductilidade dos elementos reforçados, desenvolveu-se um novo sistema de reforço estrutural em que as armaduras são ancoradas internamente por aderência. A fim de validar o novo sistema de reforço estrutural com compósitos de FRP foi realizado um programa experimental que incluiu o ensaio de vigas de betão armado (BA) reforçadas com as seguintes técnicas de reforço: EBR, NSM e pela nova técnica CREatE (continuous reinforcement embedded at ends). Neste artigo descrevem-se os ensaios experimentais realizados e analisam-se os resultados obtidos. As vigas de BA ensaiadas tinham seção em T, com um vão de 3,0 m e uma altura de 0,3 m e foram solicitadas em flexão em 4 pontos e testadas até a rotura. A técnica CREatE provou ser a mais eficaz das três alternativas testadas mobilizando a totalidade do CFRP e apresentando a maior capacidade resistente e a ductilidade mais elevada.

Biscaia, H, Franco N, Chastre C.  2019.  Ligações coladas entre barras de aço inox exteriormente coladas a elementos de betão: Análise teórica vs. experimental, 19-20 February 2. TEST&E 2019 - 2º Congresso de Ensaios e Experimentação em Engenharia Civil. :11., ISEP, Porto, Portugal Abstract

Os sistemas de reforço por colagem exterior têm sido alvo de várias abordagens, não só do ponto de vista do tipo de material a utilizar, como também sob o ponto de vista da técnica mais eficiente a seguir. As fibras reforçadas com polímeros (FRP) têm sido, no último par de décadas, alvo de investigação exaustiva, tendo-se verificado que esses sistemas nutrem de ductilidade algo reduzida devido ao descolamento prematuro do material de reforço da superfície de betão. Por conseguinte, o aço inox devidos às suas boas características anticorrosivas e ductilidade apresenta-se como uma alternativa viável aos compósitos de FRP. Assim, com vista a melhorar a ductilidade dos elementos estruturais reforçados, em vez de se recorrer a técnicas de reforço não tradicionais (e.g., Externally Bonded Reinforcement (EBR) ou Near Surface Mounted (NSM)) que estão sempre associadas a roturas prematuras por colagem do elemento de reforço quando a extensão nele instalada está muito aquém do seu valor de rotura, dever-se-á seguir outras técnicas de reforço por colagem. Com vista a interpretar e perceber o desempenho da ligação aço-inox, desenvolveu-se uma campanha experimental em que os ensaios visam em testar e comparar a técnica EBR com uma técnica inovadora e desenvolvida pelos autores (CREatE – Continuous Reinforcement Embedded at Ends) através da realização de ensaios de arrancamento de ligações aço inox/betão. Estes ensaios consistem em aplicar uma força à barra de aço inox segundo uma direção que permite induzir uma rotura da ligação consistente com o Modo II de fratura. A técnica de correlação de imagem digital (DIC) foi utilizada na monitorização de todos estes ensaios tendo-se desenvolvido ainda diferentes modelos, analíticos e numéricos com recurso a um programa de cálculo automático não linear, que permitiram simular os processos de descolamento da ligação aço inox/betão segundo as técnicas EBR e CREatE.

Biscaia, H, Chastre C, Silva M, Franco N.  2016.  Ligações em superfícies curvas entre compósitos de FRP e betão sujeitas a temperaturas elevadas, 2-4 November 201. Encontro Nacional Betão Estrutural 2016. :13., FCTUC, Coimbra, Portugal Abstractbe_2016_paper_109_biscaia.pdf

O reforço estrutural com materiais de matriz polimérica reforçada com fibras (FRP) em diferentes tipos de elementos estruturais, e.g. pilares, vigas, lajes ou arcos, tem sido objecto de vários estudos. No entanto, os estudos sobre a avaliação da aderência entre ligações coladas em superfícies curvas são muito limitados, não se conhecendo trabalhos, quer analíticos ou numéricos, que se debrucem ainda sobre o efeito da temperatura neste tipo de ligações coladas. Todavia, os trabalhos disponíveis na literatura indicam, de forma unânime, que o descolamento do FRP da superfície curva exige a interacção entre os modos de fractura I e II. Neste sentido, o presente estudo propõe o desenvolvimento de uma solução analítica simples para simular ligações CFRP/betão com superfícies curvas de raio constante e que assumem ambas, isoladamente ou simulataneamente, as acções: (i) aplicação de uma força ao FRP; e (ii) uma a variação de temperatura. Dependendo dos coeficientes de dilatação térmica linear dos materiais colados e para níveis de temperatura não muito superiores à temperatura de transição vítrea (Tg) do FRP, o efeito da temperatura pode ser, do ponto de vista da resistência da ligação, prejudicial ou benéfico, ou seja, pode diminir ou aumentar a capacidade resistente da ligação. Diferentes critérios de rotura são adoptados e diferentes situações, e.g. raio da curva ou diferentes níveis de temperaturas, são abordadas. A solução analítica pressupõe que a lei de aderência relativamente ao modo II de fractura depende da temperatura e é representada por um exponencial, enquanto que para o modo I se assume uma lei de aderência do tipo linear com rotura frágil e cuja influência da temperatura é feita de acordo com os mesmos pressupostos da lei exponencial.

Chastre, C, Biscaia H, Franco N, Monteiro A.  2016.  Experimental Analysis of Reinforced Concrete Beams Strengthened with Innovative Techniques, 13-16 September . 41th IAHS Word Congress of Housing. Sustainability and Innovation for the Future. :10., Albufeira, Portugal Abstract41_iahs_2016_-_carlos_chastre-ext-abstract.pdf

The strengthening of reinforced concrete structures with FRP materials has received a considerable increment in recent years due to their durability characteristics, high strength-weight and stiffness-weight ratios of FRP compared to other materials.An experimental program was conducted in order to analyse the behaviour of different structural solutions to strengthen reinforced concrete beams with carbon FRP composites: EBR (Externally-Bonded Reinforcement), NSM (Near Surface Mounted) reinforcement and an innovative technique externally-bonded using continuous reinforcement embedded at ends (CREatE). The RC beams had a 3m span by 0.3m height and were tested until rupture in a 4-point bending test system.The CREatE technique has proved to be the most effective of the three alternatives tested, with the full utilisation of the CFRP and the highest strength, combined with the highest ductility.

Biscaia, HC, Chastre C, Cardoso J, Franco N.  2018.  Analyses on the bond transfer between FRP composites and other structural materials, July 17-19. 9th International Conference on Fibre Reinforced Polymer (FRP) Composites in Civil engineering, CICE2018. :8., Paris, France Abstract
n/a
Biscaia, H, Chastre C, Franco N, Cardoso J.  2016.  Modelo analítico não linear para analisar as ligações CFRP/betão, 2-4 November 201. Encontro Nacional Betão Estrutural 2016. :9., FCTUC, Coimbra, Portugal Abstractbe_2016_paper_108_biscaia.pdf

Desde que o reforço estrutural começou a utilizar materiais de matriz polimérica reforçada com fibras (FRP) que o fenómeno do descolamento prematuro dos compósitos de FRP da superfície colada tem merecido especial atenção de vários autores. O conhecimento do processo de descolamento completo da ligação CFRP/betão ganhou assim, algum destaque nos últimos anos. Na generalidade, as ligações CFRP/betão têm sido analisadas com recurso métodos analíticos e numéricos sendo que, nos primeiros, se tem vindo a adoptar leis de aderência muito simplificadas das observadas experimentalmente. Apesar das simplificações adoptas nas análises analíticas, as expressões obtidas são muito importantes já que têm grande potencial em serem adoptadas pelos códigos ou normas nacionais e/ou interncionais. Por outro lado, e apesar de adoptarem leis de aderência mais refinadas, as análises numéricas permitem apenas a obtenção de expressões empíricas que podem não contemplar a generalidade dos casos estudados. Neste sentido, este trabalho apresenta um conjunto de soluções analíticas com base numa lei de aderência exponencial capaz de representar todas as não-linearidades envolvidas no descolamento da ligação CFRP/betão. Os resultados analíticos são confrontados com ensaios experimentais em que a técnica de colagem EBR foi utilizada. Contudo, o modelo analítico proposto pode ser também utilizado quando a técnica Near Surface Mounted (NSM) é adoptada. Adicionalmente, são apresentadas soluções analíticas para o caso em que o deslocamento relativo entre o CFRP e o betão é restringido por, e.g., um dispositivo de amarração mecânica instalado na extremidade oposta à aplicação de carga.

Biscaia, HC, Chastre C, Franco N.  2014.  Modelação de vigas de betão armado reforçadas à flexão com materiais compósitos de matriz polimérica. JPEE2014 – 5ª Jornadas Portuguesas de Engenharia de Estruturas, Encontro Nacional Betão Estrutural 2014.. , LNEC, Lisboa. Abstractartigo_jpee_biscaia_chastre_franco.pdf

Nas últimas décadas, os estudos sobre o desempenho de vigas de betão armado (BA) reforçadas com materiais compósitos de matriz polimérica têm aumentado. Porém, muitas dúvidas e questões persistem, fazendo realçar algumas lacunas sobre o conhecimento adquirido. Um desses aspetos reside na forma de modelar a ligação entre o compósito e o betão. É também sabido que a modelação da abertura de fendas no betão (discreta ou distribuída numa banda) influência o desempenho da ligação entre os materiais colados.
Nesse sentido, apresentam-se, neste trabalho, os resultados numéricos obtidos da modelação numérica não-linear a 3D de vigas de BA sujeitas a flexão de 4 pontos. Os resultados numéricos são confrontados com os experimentais e os diferentes parâmetros que influenciam a ligação analisados e discutidos.

Franco, N, Chastre C, Biscaia H.  2016.  Análise experimental do comportamento à flexão de vigas de betão armado reforçadas com armaduras pós-instaladas de aço inoxidável, 4-6 July 2016. TEST&E 2016 - 1º Congresso de Ensaios e Experimentação em Engenharia Civil. :8., IST, Lisbon, Portugal Abstractteste2016_-_01067_-_noel.pdf

A procura de soluções de reforço mais eficientes que permitam aumentar a capacidade resistente de elementos estruturais sujeitos a flexão levou ao desenvolvimento de um sistema inovador de aplicação de armaduras de reforço coladas pelo exterior. Neste artigo descrevem-se os ensaios experimentais realizados e analisam-se os resultados obtidos com vigas de betão armado reforçadas com armaduras pós-instaladas de aço inoxidável com diferentes técnicas: Externally Bonded Reinforcement (EBR), Near Surface Mounted (NSM) e com o novo sistema de reforço desenvolvido - Continuous Reinforcement Embedded at Ends (CREatE). As vigas ensaiadas monotonicamente até à rotura em flexão de quatro pontos têm seção transversal em T e um vão livre de três metros. No novo sistema de reforço as armaduras são ancoradas por aderência no interior do elemento estrutural, o que associado à utilização de armaduras em aço inoxidável, possibilita aumentos de resistência e ductilidade consideráveis face às técnicas tradicionais de colagem pelo exterior.

Journal Article

Monteiro, A, Chastre C, Biscaia H, Franco N.  2017.  Reforço de vigas em betão armado com armaduras exteriores de FRP, Jan. 2017. Revista Internacional TechITT. 15:48-60., Number 40 AbstractWebsite

A utilização de Polímeros Reforçados com Fibras (FRP) no reforço de estruturas de Betão Armado (BA) tem tido cada vez mais aceitação devido à sua elevada resistência e rigidez, baixo peso específico e excelente resistência aos efeitos dos agentes ambientais. No entanto, actualmente, é comum utilizarem-se técnicas de reforço que dificilmente permitem tirar partido da resistência total destes materiais. Com o objectivo de explorar a capacidade total de Polímeros Reforçados com Fibras de Carbono (CFRP), foram estudadas e desenvolvidas duas novas técnicas de reforço de vigas à flexão designadas por Continuous Reinforcement Embedded at Ends (CREatE) e Horizontal Near Surface Mounted Reinforcement (HNSMR). Posteriormente realizou-se um estudo comparativo entre o desempenho destes sistemas de reforço e o de duas outras técnicas já estudadas e usuais, nomeadamente os sistemas Externally Bonded Reinforcement (EBR) e Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR). A técnica CREatE provou ser a mais eficaz de todas as alternativas testadas mobilizando a totalidade do compósito de CFRP e dotando as vigas de BA com uma maior capacidade resistente e com uma ductilidade mais elevada.Como complemento deste trabalho experimental, desenvolveu-se também um programa de cálculo em MATLAB, capaz de simular o problema em estudo através de um modelo numérico de análise não linear através do equilíbrio de secções. A representatividade dos dados obtidos foi verificada através de uma análise comparativa entre os valores numéricos e os obtidos experimentalmente.The use of Fiber Reinforced Polymers (FRP) in order to strengthen Reinforced Concrete (RC) structures has been increasingly accepted due to their strength and stiffness, low weight and excellent resistance to the effects of environmental aggressive agents. However, the bonding techniques available and described in the literature can not allow the full use of the mechanical properties of these materials and premature failures are often observed and described by several researchers. In order to explore the full capacity of CFRP composites, two new bonding strengthening techniques of RC beams when subjected to 4-point bending tests were studied and developed. For these new techniques, the designation of Continuous Reinforcement Embedded at Ends (CREatE) and Horizontal Near Surface Mounted Reinforcement (HNSMR) has been assigned. Posteriorly, a comparative study has been carried out between those strengthening systems performance and two traditional techniques, namely, the Externally Bonded Reinforcement (EBR) and Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR). The CREatE technique has proved to be the most effective of all alternatives tested, with the full utilization of the CFRP composite and the highest strength, combined with the highest ductility. A code using MATLAB software was developed as a complement of this experimental work, which is able to simulate the problem under study through a nonlinear numerical model based on the equilibrium of sections. The representativeness of the numerical data has been verified afterwards through a comparative analysis between those and the experimental results.

Chastre, C, Biscaia H, Franco N.  2017.  Reforço de Vigas de Betão Armado com Armaduras Pós‑Instaladas de Aço Inox ou de Compósitos de FRP. Mecânica Experimental. 28:39-46. AbstractWebsite

Neste artigo apresentam-se e analisam-se um conjunto de ensaios realizados em vigas de betão armado reforçadas com armaduras pós-instaladas de aço ou de FRP, incluindo os referentes a uma nova técnica (CREatE) desenvolvida na FCT NOVA. Os resultados experimentais permitiram concluir que a técnica CREatE possibilita aumentos de resistência e ductilidade consideráveis face às técnicas tradicionais.

Biscaia, HC, Chastre C, Viegas A, Franco N.  2015.  Numerical modelling of the effects of elevated service temperatures on the debonding process of frp-to-concrete bonded joints. Composites Part B: Engineering. 70:64-79. AbstractWebsite

There are many issues concerning the performance behaviour of FRP-to-concrete interfaces at elevated service temperatures (EST). At EST, i.e. slightly above the glass transition temperature (Tg), some properties associated with the FRP composites, such as the stiffness, strength or the bond characteristics, degrade. This is a crucial issue and there are only a few studies that take into account such effects on FRP-to-concrete interfaces at EST. This paper examines, through a numerical analysis, the performance of FRP-to-concrete bonded joints at EST using a new discrete model based on truss elements and shear springs. The External Bonded Reinforcement (EBR) systems subjected to EST are analyzed. The numerical discrete model was implemented in a MATLAB routine and the bond-slip curves of the interfaces at EST were obtained from a model found in literature. The numerical results revealed that the interface at EST behaves similarly to one with two equal mechanical loads applied at both ends of the FRP plate. The load-slip curves or bond stresses, strains or slippages along the bonded length obtained from several bond-slip curves at different temperatures were obtained. Two different single-lap shear tests were simulated at steady-state (steady temperature followed by load increase) and transient state (steady load followed by temperature increase). Regarding the influence of the temperature on the adhesion between the FRP and concrete, the results showed that an increase in the temperature at an earlier situation, i.e. during a period where temperature had no influence in the concrete deformations, leads to an increase in the effective bond length of the interface affecting the initial strength of the interface.

Biscaia, H, Chastre C, Silva C, Franco N.  2018.  Mechanical Response of Anchored FRP bonded joints: A Nonlinear Analytical Approach. Mechanics of Advanced Materials and Structures. Abstract

The paper presents a nonlinear analytical solution for the prediction of the full-range debonding response of mechanically-anchored FRP composites from the substrate. The nonlinear analytical approach predicts, for any monotonic loading history or bonded length the relative displacements (or slips) between materials, the strains in the FRP composite, the bond stresses within the interface and the stresses developed in the substrate. The load-slip responses FRP-to-substrate interfaces with a short and a long bonded lengths are motive of analysis and discussion. The solutions obtained from the proposed approach are also compared with other experimental results found in the literature.

Biscaia, HC, Chastre C, Cruz D, Franco N.  2017.  Flexural Strengthening of Old Timber Floors with Laminated Carbon Fiber-Reinforced Polymers. Journal of Composites for Construction. 21:04016073., Number 1 AbstractWebsite

A set of three old suspended timber floors were flexurally strengthened with carbon fiber–reinforced polymer (CFRP) strips in order to investigate the effectiveness of externally bonding FRP to their soffits. The specimens were from an old building and 740-mm-wide bands were transferred to the laboratory in order to be tested in a four-point bending test. One specimen was tested with no strengthening system and the results obtained were used as reference values for comparison with the specimens that were externally bonded and reinforced (EBR) with CFRP strips. Two similar EBR systems were studied: (1) keeping both ends of the CFRP strips free of any restriction (traditional technique), and (2) embedding both ends of the CFRP strips into the timber, thus providing a bonding anchorage of the strips (new technique). The installation of the new strengthening system comprises the opening of holes in the timber and the creation of a transition curve between the holes and the timber surface. This transition curve allows a smooth transition of the CFRP laminate between the hole and the timber surface, thus avoiding stress concentrations in this area. After the opening of the holes, the resin is applied inside the hole and on the beam surface, and then the CFRP laminate is mounted. The load-carrying capacity of the specimens, the rupture modes, and the strains and bond stress distributions within the CFRP-to-timber interface are presented. A nonlinear numerical simulation of the specimens based on the midspan cross-sectional equilibrium is also presented. The results showed that the use of the new strengthening system enhances the performance of the specimens when compared with the traditional strengthening system.

Biscaia, H, Franco N, Nunes R, Chastre C.  2016.  Old suspended timber floors flexurally-strengthened with different structural materials. Key Engineering Materials. 713:78-81. Abstract

The design of timber beams has strict limits when it comes to the Serviceability Limit States (SLS) either in short-term or in long-term deflections. In order to face this aspect efficiently, the increase of the cross section of the beams might be considered as a solution. However, the prohibitive increase of the costs associated to this solution or the change of the initial architecturedesign of the building, opens the opportunity to find new and more efficient solutions. In that way, the use of additional reinforcements to the timber beams may be seen as a promising solution because either new or old structures would keep always their original aesthetical aspect with no significant self-weight increase and improving their behaviour to short and long-term actions.Therefore, the current study is dedicated to the analysis of composite timber beams where Fiber Reinforcement Polymers (FRP), steel or stainless steel are used to improve the stiffness, strength and deflection behaviour of old suspended timber floors. An experimental program was conducted where old suspended timber floors reinforced with CFRP strips were subjected to 4-point bending tests. A simplify nonlinear numerical model was developed to simulate the bending behaviour of the specimens and several other cases with other reinforcement configurations and different structural materials were assumed. The numerical analysis herein presented also takes into account both Ultimate and Serviceability Limit States of the reinforced specimens.

Biscaia, H, Franco N, Chastre C.  2018.  Stainless steel bonded to concrete: An experimental assessment using the DIC technique, January 30. International Journal of Concrete Structures and Materials. 12, Number 1 AbstractWebsite

The durability performance of stainless steel makes it an interesting alternative for the structural strengthening of reinforced concrete. Like external steel plates or fibre reinforced polymers, stainless steel can be applied using externally bonded reinforcement (EBR) or the near surface mounted (NSM) bonding techniques. In the present work, a set of single-lap shear tests were carried out using the EBR and NSM bonding techniques. The evaluation of the performance of the bonding interfaces was done with the help of the digital image correlation (DIC) technique. The tests showed that the measurements gathered with DIC should be used with caution, since there is noise in the distribution of the slips and only the slips greater than one-tenth of a millimetre were fairly well predicted. For this reason, the slips had to be smoothed out to make it easier to determine the strains in the stainless steel and the bond stress transfer between materials, which helps to determine the bond–slip relationship of the interface. Moreover, the DIC technique allowed to identify all the states developed within the interface through the load–slip responses which were also closely predicted with other monitoring devices. Considering the NSM and the EBR samples with the same bonded lengths, it can be stated that the NSM system has the best performance due to their higher strength, being observed the rupture of the stainless steel in the samples with bond lengths of 200 and 300 mm. Associated with this higher strength, the NSM specimens had an effective bond length of 168 mm which is 71.5% of that obtained for the EBR specimens (235 mm). A trapezoidal and a power functions are the proposed shapes to describe the interfacial bond–slip relationships of the NSM and EBR systems, respectively, where the maximum bond stress in the former system is 1.8 times the maximum bond stress of the latter one.

Biscaia, H, Chastre C, Cruz D, Franco N.  2016.  Flexural Strengthening of Old Timber Floors with Laminated Carbon Fiber Reinforced Polymers. Journal of Composites for Construction. :04016073. AbstractWebsite

A set of three old suspended timber floors were flexurally-strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRP) strips in order to investigate the effectiveness of externally bonding FRP to their soffits. The specimens were from an old building and 740 mm-wide bands were transferred to the laboratory in order to be tested in a 4-point bending test. One specimen was tested with no strengthening system and the results obtained were used as reference values for comparison with the specimens those were externally bonded and reinforced (EBR) with CFRP strips. Two similar EBR systems were studied: (i) keeping both ends of the CFRP strips free of any restriction (traditional technique); and (ii) embedding both ends of the CFRP strips into the timber, thus providing a bonding anchorage of the strips (new technique). The installation of the new strengthening system comprises the opening of holes in the timber and the creation of a transition curve between the holes and the timber surface. This transition curve allows a smooth transition of the CFRP laminate between the hole and the timber surface, thus avoiding stress concentrations in this area. After the opening of the holes, the resin is applied inside the hole and on the beam surface, and then the CFRP laminate is mounted. The load-carrying capacity of the specimens, the rupture modes, the strains and bond stress distributions within the CFRP-to-timber interface are presented. A nonlinear numerical simulation of the specimens based on the mid-span cross-sectional equilibrium is also presented. The results showed that the use of the new strengthening system enhances the performance of the specimens when compared with the traditional strengthening system.