Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A hagyományos vasbeton szerkezetekben az acélbetét elektrokémiai korrózióval szembeni védelmét a körülvevő alkálikus betonközeg biztosítja. Intenzív környezeti terhelés esetén azonban a beton áteresztőképességének a csökkentésére irányuló betontechnológiai módszerek helyett technológiai és gazdaságossági értelemben is célszerűbb lehet nemfém anyagú betétek használata. E célra jelenleg gyantába ágyazott, természetes vagy mesterséges alapanyagú, pultrúzióval gyártott, szálerősítésű polimer (fibre reinforced polymer, FRP) betéteket használnak. E betétek kémiailag stabil összetevői kiemelkedő korrózióállóságot biztosítanak, azonban anyagi és gyártástechnológiai okokból e betétek mechanikai, reológiai és fáradási tulajdonságai számottevő mértékben eltérnek az acélétól és egymástól is, továbbá az FRP betétek mechanikai tulajdonságai irányfüggők, emiatt a vizsgálhatóságuk és a vizsgálati módszerek standardizálhatósága is nehézséget okoz.
A téma szakirodalma elsősorban az üveg-, bazalt- és szénszálas betétek tulajdonságainak alapanyagtól és összetételtől függő leírására és a tapadási jellemzőkre irányul. Kevés eredmény található az FRP mechanikai tulajdonságok emelt hőmérsékleten történő megváltozásával, az FRP betétek tartós terheléssel szembeni szilárdságával és merevségével, valamint az FRP betétek fáradási tulajdonságaival, továbbá az FRP betétek tartóssági jellemzőivel (vízfelvétel, alkáliállóság) kapcsolatban. Hiányoznak a savas közeggel, valamint a heterogén cementek különböző összetevőivel szembeni ellenállásra vonatkozó kutatások. Az FRP betétekkel vasalt betonszerkezetekkel foglalkozó kutatások többsége a rövid idejű terhelés okozta rugalmas viselkedésre fókuszál. A vasbetonszerkezetekre kidolgozott nyírási és átszúródási modellek FRP betétek esetén való alkalmazhatóságával, valamint a hibrid (acélbetét és FRP kombinációjával kialakított) vasalású szerkezetekkel kevés kutatás foglalkozik. A témában japán, amerikai, kanadai és orosz tervezési előírások készültek, jelentősen eltérő mélységű kidolgozottsággal.
Az e témakörben jelenleg folyó kutatásaink alapvető célja a hagyományos vasbetonszerkezetek erőtani viselkedését leíró számítási modellek felülvizsgálata és szükség esetén azok módosítása FRP (vagy hibrid) vasalású szerkezetek esetén. Legújabb eredményeink a betétek húzószilárdságát befolyásoló „shear lag” hatásra, a beágyazott egyenes betétek tapadási viselkedésének kísérleti meghatározására, a betét felépítését és egzakt felületi geometriáját figyelembe vevő validált, 3D numerikus tapadási modell kidolgozására, majd ez alapján az 1D betétmodellhez rendelhető lokális tapadási feszültség – relatív megcsúszás összefüggés meghatározására, a meghajlított betétek szükséges tervezési paramétereinek kísérleti és numerikus alapon történű meghatározására és az FRP betétekből kialakított, eltérő mértékű körülzárást biztosító nyírási vasalás gerendaszerű erőjátékot befolyásoló hatásának a kísérleti és numerikus vizsgálatára irányultak adott típusú üvegszálas betét esetén.
Jelen doktori kutatás céljai: (i) az előző, tapadással kapcsolatos eredmények továbbfejlesztése az FRP vasalású szerkezeti elemek repedezettségének és alakváltozásainak leírására alkalmas számítási modellek kidolgozása irányába, tekintettel az időközben megjelent második generációs Eurocode-ok előírásaira is (ii) ismétlődő teherrel terhelt egyedi és beágyazott FRP betétek fáradási tulajdonságainak kísérleti vizsgálata (iii) polimer makroszál adagolású betonba ágyazott FRP betéttel vasalt szerkezeti elemek fejlesztése numerikus analízissel segített kísérleti vizsgálatok alapján.
A kutatás keretében átfogó szakirodalmi áttekintést kell adni az adott témakörben elért eredményekről és törekedni kell azok felhasználására a tárgyi kutatásban. A kutatást a következő stratégia mentén javasolt végrehajtani: (i) szakirodalmi áttekintés (ii) kísérleti program megtervezése és végrehajtása a jellemző tönkremeneteli módok, a repedezettség és az alakváltozás vizsgálatához, majd ezek alapján validált numerikus modell fejlesztése (iii) meglévő számítási modellek pontosítása/új számítási modellek kidolgozása FRP vasalású betonszerkezetekre a második generációs Eurocode-okkal összhangban.

***
In conventional reinforced concrete, the protection of steel reinforcement against electrochemical corrosion is ensured by the surrounding alkaline concrete environment. However, under severe environmental exposure, the use of non-metallic reinforcement instead of reducing the permeability of concrete by concrete technological measures may be a reasonable alternative from technological and economical aspects. For this purpose, pultruded fibre reinforced polymer (FRP) bars composed of natural or synthetic fibres embedded in a resin matrix are currently used. Due to the chemically stable constituents of the FRP bars, they exhibit outstanding corrosion resistance. Nevertheless, owing to material-related and manufacturing technological factors, their mechanical, rheological, and fatigue properties significantly differ both from those of steel and from each other. Furthermore, the mechanical properties of FRP bars are anisotropic, which complicates both their testing and the standardization of the test methods.
The available literature on the subject primarily focuses on the description of the properties of glass-, basalt-, and carbon-fibre bars as functions of the mixture of constituent materials as well as their bond characteristics. Limited number of research deal with the changes in the mechanical properties of FRP bars at elevated temperatures, the strength and stiffness degradation of FRP bars under sustained loading, and the fatigue behaviour of FRP bars as well as the durability of FRP bars (water absorption and alkali resistance). Research on the resistance to acidic environments and to the various constituents of heterogeneous cementitious materials is lacking. The majority of studies on concrete members reinforced with FRP bars focus on the elastic behaviour under short-term loading, however, only few research address the applicability of shear and punching shear models developed for steel-reinforced concrete structures when FRP reinforcement is employed, as well as the behaviour of hybrid-reinforced structures incorporating both steel and FRP reinforcement. Design guidelines and standards on the topic with significantly different level of sophistication have been developed in Japan, the United States, Canada, and Russia.
The primary objective of our ongoing research in this field is the revision and, where necessary, modification of the design models describing the structural behaviour of conventional reinforced concrete embedding FRP or hybrid reinforcement. Our most recent results in case of glass-fibre bars have focused on: the “shear lag” effect influencing the tensile strength; the experimental determination of the bond behaviour of embedded straight bars; the development of a validated 3D numerical bond model accounting for the fibre configuration and the exact surface geometry; the derivation of local bond stress–slip relationship applicable to one-dimensional bar models; the determination of the design parameters required for bent FRP bars based on experimental and numerical studies; and the experimental and numerical investigation of the influence of FRP shear reinforcement providing different degrees of confinement on the beam-type structural behaviour.
The potential objectives of this doctoral research are as follows: (i) further development of the existing bond-related research results towards the formulation of computational models suitable for describing crack formation and deformation behaviour of FRP-reinforced structural elements, while also considering the provisions of the recently introduced second-generation Eurocodes; (ii) experimental investigation of the fatigue behaviour of individual and embedded FRP bars subjected to cyclic loading; (iii) development of structural elements reinforced with FRP bars embedded in polymer macrofibre reinforced concrete based on experimentally validated numerical analyses.
Within the framework of the research, a comprehensive review of the relevant literature shall be provided, with particular emphasis on the incorporation of existing findings into the present research. The proposed research is as follows: (i) literature review; (ii) design and execution of an experimental programme aimed at investigating typical failure modes, cracking behaviour, and deformations, followed by the development of a validated numerical model based on the experimental results; (iii) refinement of existing computational formulae and/or development of new calculation models for FRP-reinforced concrete structures in accordance with the second-generation Eurocodes.