In-plane Behavior of Reinforced Concrete Shear Walls with poor Flexural Reinforcement, Strengthened with FRP strips

Abstract

There is a large amount of thin wall buildings in the country that have been constructed on inadequate designs, have extended their service life or have had changes in the type of use in structures, among other factors. Under these circumstances, these constructions have a high degree of vulnerability. This, added to the important seismic threat present in cities with the highest number of inhabitants, results in a risk of significant damage to buildings, which could even collapse. This research tested a system that could allow to repair or rehabilitate the walls of these buildings, using non-invasive systems like Fiber-reinforced polymers (FRP). FRP are an emerging repair or rehabilitation alternative that in recent years has become very popular. External reinforcement with FRP bands improves the bending and shear capacities of existing structures. This reinforcement system is even suitable for repairing structures with insufficient or degraded capacities after its elements had been subjected to seismic stresses. This document presents the results obtained in a research project that evaluated the behavior of reinforced concrete walls with vertical reinforcement deficiencies. The walls were externally reinforced with different types of FRP bands to improve their flexural capacities. 6 specimens of 0.1 x 1.5 x 5 m (4 x 59 x 197 in) were analyzed: 4 with concrete with low compressive strength and 2 with concrete with high compressive strength. The latter were externally reinforced with two types of carbon fibers (CFRP): one with a high elastic modulus (CHM) and another with a lower elastic modulus (CHS) and a type of fiberglass (GHS). The failure mode, hysterical response, stiffness degradation, ductility and energy dissipation capacity were evaluated. The bending capacities of the walls reinforced with each of the FRP bands showed an important improvement. Finally, the design methodology and calculation of theoretical capacities for this type of reinforcement, present in document ACI 440.2R-17, was corroborated. Thus, it was found an adequate correlation between the experimental results and the capacities theoretically calculated.

El gran número de edificios de muros delgados construidos en el país, junto a diseños de muros de concreto inadecuados, cambios de tipo de uso en estructuras entre otros factores, representan un alto grado de vulnerabilidad de las construcciones y esto sumado a la importante amenaza sísmica presente en las ciudades con mayor número de habitantes da como resultado un riesgo de daño importante de las edificaciones e incluso de colapso. Los polímeros reforzados con fibra (FRP) son una alternativa emergente de reparación o rehabilitación que en los últimos años ha tenido gran auge. El reforzamiento externo con bandas de FRP mejora las capacidades por flexión y por corte de muros existentes o incluso este sistema de reforzamiento es apto para reparaciones de estructuras con capacidades degradadas al haber sido sometidos los elementos a solicitaciones sísmicas. En el presente documento se exponen los resultados obtenidos en un proyecto de investigación donde se evaluó el comportamiento de muros de concreto reforzado con deficiencias de refuerzo vertical, reforzados externamente con distintos tipos de bandas de FRP con el fin de mejorar sus capacidades a flexión. Se analizaron 6 especímenes de 0.1 x 1.5 x 5 m (4 x 59 x 197 in); 4 con concreto de baja resistencia a la compresión y 2 especímenes con concreto de alta resistencia a la compresión, reforzados externamente con dos tipos de fibras de carbono (CFRP), una de alto módulo elástico (CHM) y otra de menor módulo elástico (CHS) y un tipo de fibra de vidrio (GHS). Se evaluó el modo de falla, la respuesta histerética, la degradación de la rigidez, la ductilidad y la capacidad de disipación de energía, encontrando una mejora importante en las capacidades por flexión de los muros reforzados con cada una de las bandas de FRP. Finalmente se corroboró la metodología de diseño y cálculo de capacidades teóricas para este tipo de reforzamiento presente en el documento ACI 440.2R-17, encontrando una adecuada correlación entre los resultados experimentales y las capacidades calculadas teóricamente.