Comparative analysis of design approaches for FRP reinforced concrete elements

Abstract

L’ús de FRP embegut en formigó per al reforç d’elements estructurals està cada vegada més estès a nivell global. Aquests polímers es caracteritzen per la seva elevada resistència a tracció, lleugeresa i excel·lent durabilitat davant d’entorns agressius. Tanmateix, també presenten limitacions rellevants, com el seu comportament fràgil davant la ruptura, l’absència de fluència plàstica i la sensibilitat als efectes diferits a llarg termini. Les propietats específiques d’aquests materials requereixen consideracions addicionals a les proposades per al disseny del formigó armat amb acer tradicional. Diversos codis i recomanacions estructurals han estat revisats en els darrers anys per abordar el disseny d’elements de formigó armat amb reforç de FRP.

Aquest projecte presenta una anàlisi paramètrica comparativa d’algunes de les principals guies i codis de disseny estructural amb armadures de FRP. L’estudi inclou les normatives EC2-Annex R, fib MC2020, CNR DT-203, AFGC 2023, ACI 440.11-22 i CSA S806. L’anàlisi es desenvolupa mitjançant un full de càlcul semiautomatitzat, en el qual s’avalua el comportament sota sol·licitacions de flexió en ELU i tensions sostingudes en ELS, així com els fenòmens de fissuració i deformacions en ELS. Els casos d’estudi es generen de manera iterativa mitjançant variacions sistemàtiques de l’amplada i l’alçada de la secció, la llum de la biga i la resistència característica del formigó a compressió. Els resultats de l’anàlisi evidencien la manca d’unificació de criteris i d’harmonització entre els diferents codis estructurals, amb diferències substancials en l’estat límit que governa el disseny del reforç en cadascun d’ells.

El uso de FRP embebido en hormigón para el refuerzo de elementos estructurales está cada vez más extendido a nivel global. Estos polímeros se caracterizan por su elevada resistencia a tracción, ligereza y excelente durabilidad frente a entornos agresivos. No obstante, también presentan limitaciones relevantes, como su comportamiento frágil ante la rotura, la ausencia de fluencia plástica y la sensibilidad frente a efectos diferidos a largo plazo. Las propiedades específicas de estos materiales requieren consideraciones adicionales a las propuestas para el diseño del hormigón reforzado con acero tradicional. Diversos códigos y recomendaciones estructurales han sido revisados en los últimos años para abordar el diseño de elementos de hormigón armado con refuerzo FRP.

Este proyecto presenta un análisis paramétrico comparativo de algunas de las principales guías y códigos de diseño estructural con armaduras de FRP. El estudio incluye las normativas EC2 – Anexo R, fib MC2020, CNR DT-203, AFGC 2023, ACI 440.11-22 y CSA S806. El análisis se desarrolla mediante una hoja de cálculo semiautomatizada, en la cual se evalúa el comportamiento bajo solicitaciones de flexión en ELU y tensiones sostenidas en ELS, así como los fenómenos de fisuración y deformaciones en ELS. Los casos de estudio se generan de forma iterativa mediante variaciones sistemáticas del ancho y la altura de la sección, la luz de la viga y la resistencia característica del hormigón a compresión. Los resultados del análisis evidencian la falta de unificación de criterios y de armonización entre los distintos códigos estructurales, con diferencias sustanciales en el estado límite que gobierna el diseño del refuerzo en cada uno de ellos.

The use of FRP embedded in concrete for the reinforcement of structural elements is becoming increasingly popular worldwide. These polymers are characterized by their high tensile strength, low weight, and durability in aggressive environments. However, they also present significant limitations, such as brittle failure behavior, lack of plastic yielding, and sensitivity to long-term time-dependent effects. The specific properties of these materials require a design approach different from conventional steel-reinforced concrete. In recent years, several codes and structural recommendations have been revised to specifically address the design of FRP reinforced concrete elements.

This project presents a comparative parametric study of some of the main international guidelines and structural design codes for FRP reinforcement. The study includes EC2 – Annex R, fib MC2020, CNR DT-203, AFGC 2023, ACI 440.11-22, and CSA S806. The analysis is carried out through a semi-automated spreadsheet tool, evaluating flexural demands at ULS, sustained stresses at SLS, as well as cracking and deflection control at SLS. Study cases are generated iteratively by systematically varying cross-sectional width and height, span length, and concrete compressive strength. The results of the analysis reveal a lack of consistency and harmonization among the different structural codes, with substantial variations in the governing limit state for reinforcement design in each case.