Experimental and numerical study on thermo-mechanical behaviour of carbon fibre reinforced polymer and structures reinforced with CFRP

par Phi Long Nguyen

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Emmanuel Ferrier et de Xuan Hong Vu.

Le président du jury était Catherine A. Davy.

Le jury était composé de Emmanuel Ferrier, Xuan Hong Vu, Baljinder K. Kandola, Hélène Carre.

Les rapporteurs étaient Mark F. Green, Luke A. Bisby.

  • Titre traduit

    Étude expérimentale et numérique sur le comportement thermomécanique des polymères renforcés par des fibres de carbone (CFRP) et des structures renforcées par des CFRP


  • Résumé

    Le polymère renforcé de fibres de carbone (CFRP) est l'une des solutions courantes pour réparer/renforcer/ fortifier/ rétrofiter les structures en génie civil en raison de ses avantages dans les propriétésmécaniques, la durabilité et la maniabilité. Cependant, des problèmes d'incendie récents ont soulevédes inquiétudes quant à la performance au feu du CFRP et des structures renforcées par CFRP. Dansla littérature, il existe plusieurs études sur l'évolution de la performance mécanique de CFRP et desstructures renforcées par CFRP pendant ou après l'exposition à différents niveaux de température quisont proches des températures obtenus durant un feu. Cependant, les résultats sont dispersés en raisonde la diversité des matériaux utilisés, de la différence dans les protocoles d'essai et de la limitation del'installation d'essai pour une utilisation à température élevée. Des études analytiques et numériquessont également menées avec une étude paramétrique pour observer, améliorer et proposer desrecommandations pour les directives de conception. Cependant, le manque de données expérimentalesa une influence significative sur applicabilité des résultats disponibles.Cette recherche caractérise les comportements des CFRP et de la structure renforcée avec du matériauCFRP dans trois conditions distinctes concernant la température élevée et la charge mécanique quisont proches des différents cas d'application au feu. Les méthodes expérimentales et numériques sontutilisées pour mener cette recherche afin d'étudier plus en détail l'état de chaque matériau au cours desétudes de cas. En particulier, l'essai résiduel est utilisé pour étudier la performance mécanique desspécimens refroidis après exposition à température élevée en respectant l'évaluation du comportementrésiduel des structures renforcées en CFRP en situation post-incendie à des fins de réparation /renforcement. Deux essais thermomécaniques sont utilisés pour étudier la performance mécanique deséchantillons à différentes températures élevées et leur performance thermique à différents étatsmécaniques en respectant la situation d'incendie pour la prédiction et la conception. Les deux dernierscas portent sur l'influence de l'ordre de chargement sur les résultats pour confirmer la validité desdonnées mécaniques expérimentales obtenues à différentes températures lors de l'évaluation de laperformance au feu de la structure renforcée par CFRP où les effets mécaniques et puis les effetsthermiques sont combinés.Dans la première partie expérimentale, 86 essais sur deux types de CFRP (un préfabriqué en usine etun fabriqué manuellement en laboratoire) ont été étudiés dans la plage de température de 20°C à712°C. La performance du matériau CFRP est généralement réduite lorsque la température augmente.Les résistances thermomécaniques et résiduelles du P-CFRP diminuent graduellement de 20°C à700°C, tandis que le module de Young varie de moins de 10% de 20°C à 400°C et ensuite diminuesignificativement à 600°C. La performance thermomécanique identifiée de CFRP a été inférieure quesa performance résiduelle, en particulier à une température supérieure à 400°C. En outre, latempérature élevée et la charge mécanique sont expérimentalement pertinentes et l'ordre dechargement a donc un faible effet sur les performances du matériau dans des conditionsthermomécaniques. Un nouveau modèle analytique, proposé pour l'évolution de la résistance ultimethermomécanique en fonction de la température, a montré sa capacité à s'adapter à deux CFRP étudiéset à ceux testés dans des conditions thermomécaniques similaires dans la littérature [etc...]


  • Résumé

    Carbon fibre reinforced polymer (CFRP) is one of common solutions in repairing / reinforcing/strengthening/ retrofitting structures in civil engineering due to its advantages in mechanicalproperties, durability and workability. However, recent issues have raised concerns for fireperformance of CFRP and CFRP reinforced structures. Throughout the literature, there are severalinvestigations on the evolution of mechanical performance of CFRP and CFRP reinforced structuresduring or after exposing to different levels of temperature which are close to temperatures obtainedduring a fire. However, the results are scatter due to the diversity of materials used, the difference intest protocols, and limitation in test facility for elevated temperature use. Analytical and numericalstudies are also conducted with parametric investigation to observe, improve, and proposerecommendations for design guideline. Additionally, missing gap in experimental data has asignificant influence on the applicability of the available results.This research characterizes the behaviours of CFRPs and of concrete structure reinforced with CFRPmaterial under three separated conditions concerning elevated temperature and mechanical loadingthat are close to different cases of fire application. The experimental and numerical methods used inthis research are to further investigate the status of each material during the case studies. Particularly,residual test is used to study the mechanical performance of specimens cooled after exposing toelevated temperature respecting the evaluation of the remained behaviour of CFRP reinforcedstructures at post-fire situation for repairing/ retrofitting purpose. Two thermo-mechanical tests areused to study the mechanical performance of specimens at different elevated temperatures and theirthermal performance at different mechanical statuses respecting the fire situation for predicting anddesigning purpose. The two final cases focus on the influence of loading order on the results toconfirm the validity of experimental mechanical data obtained at different temperatures whenapplying for evaluating the fire performance of CFRP reinforced structure where mechanical effectsand then temperature effects are combined.In the first experimental part, 86 tests on two types of CFRP (one pre-fabricated in factory and onemanually fabricated in laboratory) were studied in the temperature range from 20°C to 712°C. Theperformance of CFRP material is generally reduced as the temperature increases. The thermomechanicaland residual ultimate strengths of P-CFRP gradually decrease from 20°C to 700°C, whileits Young’s modulus varies less than 10% from 20°C to 400°C and then significantly decreases at600°C. The identified thermo-mechanical performance of CFRP was lower than its residualperformance, especially at temperature beyond 400°C. Furthermore, the elevated temperature andmechanical load are experimentally shown to be relevant and thus the loading order has a small effecton the material performance under thermo-mechanical conditions. A new analytical model, proposedfor the evolution of thermo-mechanical ultimate strength in function of temperature, has shown theability to fit with two studied CFRPs and with those tested under similar thermo-mechanical conditionin the literature [etc...]


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