Active shear strengthening of reinforced concrete beams using Ni-Ti-Nb shape memory alloys

Abstract

[eng] Shear strengthening of existing structures is often required as shear failures in reinforced concrete (RC) members are associated with brittle collapses, it being essential to avoid this kind of failure. This thesis presents comprehensive research on the feasibility of using Shape Memory Alloys (SMA) to actively strengthen shear critical beams. Specifically, an SMA (Ni-Ti-Nb) with wide hysteretic behavior in terms of the range of transformation temperatures for martensite and austenite phases has been applied for active external shear strengthening of RC beams using the special property of Shape Memory Effect (SME). SME refers to the phenomenon whereby SMAs can return to a predefined shape upon heating (activation). When the deformation of a prestrained SMA is constrained upon heating, it is not possible for the SMA to recover its previous shape and, therefore, it develops recovery stresses. These recovery stresses may be used for prestressing concrete members. It should be highlighted that most of the frequently used shear strengthening technologies, e.g. strengthening with fiber reinforced polymers (FRP), are passive technologies: it is necessary for the strengthened structure to increase its deformation and reach an elevated level of damage before the strengthening material can start contributing. Alternatively, a previous unloading process of the structure to recover deformations may be needed before strengthening with passive technologies. The technology proposed in this doctoral thesis uses SME to actively confine and prestress the strengthened concrete member. In this way, the strengthening material immediately begins working upon installation and activation. A complete thermo-mechanical characterization of the Ni-Ti-Nb wires used has been carried out to assess adequacy for the shear strengthening of RC beams in the ambient temperatures range for civil engineering structures. This experimental campaign for characterization of SMA included a set of tensile tests at different temperatures and another set of recovery stress tests. It has been concluded that the Ni-Ti-Nb wires show promising performance. An experimental shear strengthening campaign comprising the performance of tests to failure on 20 small-scale concrete beams with activated external shear reinforcement was carried out. Pseudo-spirals of 3 mm diameter Ni-Ti-Nb wires, or wires with a U-shape configuration, were placed around the RC beams in order to confine them and close shear cracks (if any) at activation. The experiment results show a successful increase in shear strength and the deflection measured at failure of the retrofitted beams. The effect of the geometrical imperfections of the reinforcement has also been studied and possible pre-stressing losses due to these imperfections have been evaluated by means of a new experimental campaign. The result is that Ni-Ti-Nb wires show promising performance despite possible imperfections upon installation in small-scale elements. Finally, two different shear models —the Compression Chord Capacity Model (CCCM) and shear provisions in Eurocode 2— have been used to predict the shear strength of the tested specimens. The experiment results and predictions showed good correlation, especially for the CCCM, which also showed good correlation in terms of the observed crack patterns. Based on the previously summarized research work, we can conclude that the proposed technology for active shear strengthening of RC beams works properly.

[spa] El refuerzo a cortante de estructuras en servicio es requerido a menudo debido a que las roturas por cortante en elementos de hormigón armado (HA) están asociadas a roturas frágiles y, así, es esencial evitar este tipo de fallo. Esta tesis presenta una investigación exhaustiva sobre la viabilidad del uso de Aleaciones con Memoria de Forma (AMF) para reforzar activamente vigas críticas a cortante. Específicamente, se ha aplicado una AMF (Ni-Ti-Nb) con un amplio comportamiento histerético en términos del rango de temperaturas de transformación para las fases de martensita y austenita para el refuerzo externo activo a cortante de vigas de HA usando la propiedad especial del Efecto Memoria de Forma (EMF). El EMF se refiere al fenómeno por el cual las AMF pueden volver a una forma predefinida al calentarse (activación). Cuando al calentar una AMF predeformada su deformación se ve restringida, ésta no puede recuperar su forma previa y, por tanto, desarrolla tensiones de recuperación. Estas tensiones de recuperación pueden usarse para pretensar elementos de hormigón. Debe destacarse que la mayoría de las más frecuentes tecnologías de refuerzo a cortante, por ejemplo, el refuerzo con polímeros reforzados con fibra (PRF), son tecnologías pasivas: es necesario que la estructura reforzada aumente su deformación y alcance un nivel elevado de daño antes de que el material de refuerzo pueda empezar a contribuir. Alternativamente, puede ser necesario un proceso de descarga previo de la estructura para recuperar deformaciones antes de su refuerzo con tecnologías pasivas. La tecnología propuesta en esta tesis doctoral utiliza el EMF para restringir y pretensar activamente un elemento de hormigón. De esta forma, el material de refuerzo empieza a trabajar inmediatamente después de su instalación y activación. Se ha llevado a cabo una caracterización termo-mecánica completa de los alambres de Ni-Ti-Nb usados para evaluar su adecuación para el refuerzo a cortante de vigas de HA en el rango de temperaturas habituales para estructuras de ingeniería civil. Esta campaña experimental para la caracterización de la AMF ha incluido un conjunto de ensayos de tracción a diferentes temperaturas y otro conjunto de ensayos de tensiones de recuperación. Se ha concluido que los alambres de Ni-Ti-Nb muestran un rendimiento prometedor. Se ha realizado una campaña experimental de refuerzo a cortante de vigas que ha consistido en realizar ensayos a rotura de 20 vigas de hormigón a pequeña escala con refuerzo a cortante externo activado. Se han colocado pseudo-espirales de alambres de Ni-Ti-Nb de 3 mm de diámetro, alrededor de vigas de HA para confinarlas y cerrar las grietas de cortante (si existen) durante la activación. También se ha usado una configuración de refuerzo con alambres en forma de U. Los resultados experimentales muestran un significativo incremento de la resistencia a cortante y de la deflexión medida en rotura de las vigas reforzadas. También se ha estudiado el efecto de las imperfecciones geométricas del refuerzo y se han evaluado las posibles pérdidas previas de tensiones debidas a estas imperfecciones mediante una nueva campaña experimental. Se ha concluido que los alambres de Ni-Ti-Nb muestran un rendimiento prometedor a pesar de las posibles imperfecciones durante la instalación en elementos a pequeña escala. Finalmente, se han aplicado dos modelos de cortante diferentes: el Modelo de capacidad del cordón comprimido (CCCM) y las especificaciones de cortante del Eurocódigo 2, para predecir la resistencia a cortante de las vigas ensayadas. Se ha logrado un buen ajuste entre los resultados experimentales y las predicciones, especialmente para el CCCM, que también ha mostrado una buena correlación en términos de los patrones de grietas observados. De los trabajos de investigación previamente revisados, se puede concluir que la tecnología propuesta para el refuerzo activo a cortante de vigas de HA funciona adecuadamente.

[cat] El reforç a tallant d'estructures en servei és requerit sovint pel fet que els trencaments a tallant en elements de formigó armat (FA) estan associats a trencaments fràgils i, així, és essencial evitar aquest tipus de fallada. Aquesta tesi presenta una investigació exhaustiva sobre la viabilitat de l'ús d'Aliatges amb Memòria de Forma (AMF) per reforçar activament bigues crítiques a tallant. Específicament, s'ha aplicat una AMF (Ni-Ti-Nb) amb un ampli comportament histerètic en termes del rang de temperatures de transformació per a les fases de martensita i austenita per al reforç extern actiu a tallant de bigues de FA usant la propietat especial de l’Efecte de Memòria de Forma (EMF). L’EMF es refereix al fenomen pel qual les AMF poden tornar a una forma prèvia en ser escalfada (activació). Quan a l'escalfar una AMF predeformada la seva deformació es veu restringida, no pot recuperar la seva forma prèvia i, per tant, desenvolupa tensions de recuperació. Aquestes tensions de recuperació poden usar-se per pretensar elements de formigó. Cal destacar que la majoria de les més freqüents tecnologies de reforç a tallant, per exemple, el reforç amb polímers reforçats amb fibra (PRF), són tecnologies passives: cal que l'estructura reforçada augmenti la seva deformació i arribar un nivell elevat de dany abans que el material de reforç pugui començar a contribuir. Alternativament, pot ser necessari un procés de descàrrega previ de l'estructura per recuperar deformacions abans del seu reforç amb tecnologies passives. La tecnologia proposada en aquesta tesi doctoral utilitza l'EMF per a restringir i pretensar activament un element de formigó. D'aquesta manera, el material de reforç comença a treballar immediatament després de la seva instal·lació i activació. S'ha dut a terme una caracterització termo-mecànica completa dels filferros de Ni-Ti-Nb usats per avaluar la seva adequació per al reforç a tallant de bigues de FA en el rang de temperatures habituals per a estructures d'enginyeria civil. Aquesta campanya experimental per a la caracterització de l'AMF ha inclòs un conjunt d'assajos de tracció a diferents temperatures i un altre conjunt d'assajos de tensions de recuperació. S'ha conclòs que els filferros de Ni-Ti-Nb mostren un rendiment prometedor. S'ha realitzat una campanya experimental de reforç a tallant de bigues que ha consistit en realitzar assaigs a trencament de 20 bigues de formigó a petita escala amb reforç a tallant extern activat. S'han col·locat pseudo-espirals de filferros de Ni-Ti-Nb de 3 mm de diàmetre, al voltant de bigues de FA per confinar-les i tancar les esquerdes de tallant (si existeixen) durant l'activació. També s'ha fet servir una configuració de reforç amb filferros en forma de U. Els resultats experimentals mostren un significatiu increment de la resistència a tallant i de la deflexió mesurada en trencament de les bigues reforçades. També s'ha estudiat l'efecte de les imperfeccions geomètriques del reforç i s'han avaluat les possibles pèrdues prèvies de tensions degudes a aquestes imperfeccions mitjançant una nova campanya experimental. S'ha conclòs que els filferros de Ni-Ti-Nb mostren un rendiment prometedor malgrat les possibles imperfeccions durant la instal·lació en elements a petita escala. Finalment, s'han aplicat dos models de tallant diferents: el Model de capacitat del cordó comprimit (CCCM) i les especificacions de tallant de l'Eurocodi 2, per predir la resistència a tallant de les bigues assajades. S'ha aconseguit un bon ajust entre els resultats experimentals i les prediccions, especialment per al CCCM, que també ha mostrat una bona correlació en termes dels patrons d'esquerdes observats. Dels treballs d'investigació prèviament revisats, es pot concloure que la tecnologia proposada per al reforç actiu a tallant de bigues de FA funciona adequadament.