IMPACT RESISTANCE OF ULTRA HIGH PERFORMANCE FIBRE REINFORCED CONCRETE PANELS AND STEEL FIBRE REINFORCED CONCRETE PANELS STRENGTHENED WITH FIBRE REINFORCED POLYMER STRAPS AT LOW TEMPERATURES

Abstract

In an age of global terrorism, structures designed with the inherent ability to protect critical persons and assets within them are of key importance to both the private and public sectors. There is an ever-present threat of accidental explosions in some industrial and resource sectors and deployed military forces are living under the constant threat of enemy offensive action. In Canada, oil and gas facilities are located in northern climates, where extreme cold temperatures are the norm during the winter months. Cities in the Athabasca oil patch in northern Alberta, like Fort McMurray and Peace River, have outside air temperatures of -40°C while the coldest design air temperature in Canada is Snag, Yukon with a temperature of -53°C. The northernmost base occupied by the Canadian Armed Forces (CAF), CFS Alert, has a January outside air temperature of -44°C. With the Canadian government’s focus on sovereignty of the Arctic, the CAF is focused on achieving this mandate by increasing the military footprint in the Arctic and ensuring there are quick reaction forces in place in the event of an emergency. Being an extremely cold climate during the winter months, building materials and equipment slated to be used in the Arctic or in northern regions must be tested under those cold weather conditions to ensure they are effective in these environments. This project focuses on the design and testing of two types of armoured panels which could be used in a spaceframe structure to provide a lightweight, modular force or infrastructure protection system. This protection system could be constructed with basic tools, without the requirement for heavy equipment. It would be adaptable to any austere environment, including the Arctic, and could be adapted for use as a variety of infrastructure elements, such as a perimeter wall or to fortify existing structures. The primary focus of this project is on the armoured panels. Two types of panels were cast and tested, a steel fibre reinforced concrete (SFRC) panel strengthened with fibre reinforced polymer (FRP) straps, and an ultra high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC) panel. The two types of panels were designed to have similar flexural strengths to compare their behaviour under dynamic loading conditions. A pendulum-type impact hammer was used to investigate the extreme dynamic loading effects on the panels to determine if they were suitable for use in Arctic conditions. Panels were tested at two different temperatures, the ambient laboratory temperature of 20°C and a cold temperature of -55°C to simulate an Arctic environment. The panels were cooled to the cold temperature using an industrial-sized freezer of sufficient size to accommodate the specimens. Both types of panels had the same dimensions, being 1040 mm long, 535 mm wide and 38 mm thick. The SFRC panels had two FRP straps which were each 100 mm wide and 0.33 mm thick and wrapped around the entire panel. Quasi-static three-point flexural bending tests were conducted on both types of panels to obtain their threshold failure energy level. A total of eight quasi-static tests were completed, two of each type of panel at ambient temperatures and two of each type of panel at cold temperatures. Dynamic tests were conducted using the impact hammer with the impact energy being varied by altering the hammer drop height. Drop heights were varied from 350 mm up to 1500 mm which corresponded to input energies ranging from 470 J to 2016 J. A total of sixteen impact tests were conducted and following each ambient temperature impact test, the panel was tested for residual strength using the same three-point flexural bending test as the baseline quasi-static testing. For the residual strength tests of the cold temperature panels, the panels were returned to the freezer after impact testing and then transferred to the three-point flexural bending test setup once they returned to the required temperature. The testing program demonstrated that both types of panels could resist impact loads with energies up to 1900 J without complete failure. Both types of panels were not adversely affected by the extreme cold temperatures and in fact displayed increased effectiveness. The residual strength of UHPFRC panels was easily predicted based on the permanent midspan deflection caused by the impact test. The ambient temperature FRP strengthened SFRC panels had decreasing residual strengths as the amount of permanent deflection increased, while the cold temperature panels had the same residual strength despite having different amounts of permanent deflection. Both types of panels exhibited ductile behaviour, with the UHPFRC panels reaching maximum deflections of 100 mm and the FRP strengthened SFRC panels reaching maximum deflections of 120 mm. A single-degree-of-freedom (SDOF) model was designed and validated with laboratory results to predict panel behaviour based on various impact energies. Resistance functions were determined based on the load-deflection curves produced using quasi-static flexural bending test results. The model is an iterative numerical approach which uses constant acceleration throughout the time-steps to determine midspan displacement throughout the time-history. The model provided accurate results which could be used to predict peak displacement of panels based on forcing function data.

À une époque où le terrorisme prend de plus en plus d’ampleur, les structures ayant la capacité de protéger le personnel et le matériel prennent une importance capitale dans les secteurs privé et public. Il existe également une menace omniprésente d’explosions accidentelles dans certains secteurs industriels et de plus, les forces militaires déployées vivent sous la menace constante d’une action offensive de l’ennemi. Au Canada, les installations pétrolières et gazières sont situées dans des secteurs nordiques où la température est extrêmement froide pendant l’hiver. Les villes situées dans le secteur d’exploitation pétrolière d’Athabasca dans le nord de l’Alberta, comme Fort McMurray et Peace River, doivent intégrer dans la conception une température de -40 °C. La base des Forces armées canadienne (FAC) positionnée le plus au nord à Alert doit gérer une température de -44 °C alors que la plus basse température utilisée pour la conception au Canada est de -53°C à Snag au Yukon. Afin d’assurer la souveraineté du territoire canadien dans l’Arctique, une des priorités du gouvernement canadien, les FAC jouent un rôle primordial dans ce mandat en augmentant l’empreinte militaire dans l’Arctique et en assurant des forces de réaction rapide en cas d’urgence. Compte tenu du climat extrêmement froid, les matériaux de construction qui pourraient être utilisés dans l’Arctique ou dans les régions du nord doivent être mis à l’essai pour vérifier leur efficacité dans de telles conditions. Ce projet se concentre sur la conception et la mise à l’essai de deux types de panneaux blindés qui pourraient être utilisés dans une structure en treillis formant ainsi un système de protection léger et modulaire. Ce système de protection pourrait être construit avec des outils de base, sans machinerie lourde. Il serait adaptable à tout environnement austère, y compris l’Arctique, et pourrait être adapté à des fins d’utilisation sur une variété d’éléments d’infrastructure, comme un mur périmétrique ou pour fortifier une structure existante. Ce projet vise principalement les panneaux blindés. Deux types de panneaux ont été fabriqués et testés, des panneaux en béton fibré enveloppé de bandes de polymère renforcé de fibres et des panneaux de béton fibré à ultra haute performance. Les deux types de panneaux ont été conçus afin d’avoir des résistances à la flexion similaires pour comparer leur comportement dans des conditions de charge dynamiques. Un montage expérimental de type pendule a été utilisé pour étudier les effets de chargement dynamique extrêmes sur les panneaux et ainsi déterminer leur efficacité en conditions arctique. Les panneaux ont été testés à deux températures différentes, à la température ambiante du laboratoire de 20 °C et une température froide de -55 °C pour simuler un environnement arctique. Les panneaux devant être testés à -55 °C ont été placés dans un congélateur industriel de grande taille. Les deux types de panneaux avaient les mêmes dimensions, une longueur de 1040 mm, une largeur de 535 mm et une épaisseur de 38 mm. Les panneaux en béton renforcé de fibre étaient enveloppés de deux bandes de polymère renforcé de fibres de 100 mm de largeur et de 0,33 mm d’épaisseur. Des essais de résistance à la flexion trois-points quasi statiques ont été réalisés sur les deux types de panneaux afin de déterminer leur comportement charge déflexion ainsi que leur capacité à dissiper l’énergie. Un total de huit essais quasi statiques ont été réalisés, deux pour chaque types de panneaux à température ambiante et deux pour chaque types de panneaux à des températures arctique. Des essais dynamiques ont été effectués à l’aide du système de type pendule, l’énergie d’impact étant modifiée en variant la hauteur de chute du marteau. Les hauteurs de chute varient de 350 mm à 1500 mm, ce qui correspond à des énergies initiales allant de 450 J à 1900 J. Un total de seize essais d’impact a été effectué. Suite aux essais d’impact à température ambiante, les panneaux ont été testés en flexion trois-points afin de déterminer leur capacité résiduelle de la même façon que pour les essais quasi statiques. Pour les essais de résistance résiduelle des panneaux à température arctique, les panneaux ont été replacés au congélateur après l’essai d’impact afin d’atteindre à nouveau une température de -55 °C et ensuite testés en flexion trois-points. Le programme expérimental a démontré que les deux types de panneaux pouvaient résister à des charges d’impact correspondant à des niveaux d’énergies de près de 1900 J sans rupture. La température arctique n’a pas affecté la performance des deux types de panneaux, apportant même une légère amélioration de la résistance de certains panneaux. La résistance résiduelle des panneaux de béton fibré à ultra haute performance a été facilement prédite en fonction de la déflexion permanente à mi-portée causée par l’essai d’impact. Les panneaux en béton de fibré enveloppés de bandes de polymère renforcé de fibres à température ambiante ont vu leurs résistances résiduelles diminuer et leur déflexion permanente augmenter, tandis que les panneaux testés à température arctique ont gardé la même résistance résiduelle malgré des quantités différentes de déflexion permanente. Les deux types de panneaux ont présenté un comportement ductile, les panneaux en béton fibré à ultra haute performance ont atteint des déflexions maximales de 100 mm et les panneaux en béton de fibres enveloppé de bandes de polymère renforcé de fibre on atteint des déflexions maximales de 120 mm. Un modèle à un degré de liberté a été conçu et validé afin de prédire le comportement des panneaux en fonction de différents niveaux d’énergie d’impact. Des fonctions de résistances ont également été déterminées en utilisant les courbes charge-déflexion des essais quasi statiques. Le modèle est basé sur une approche numérique itérative qui utilise une accélération constante pour chaque incrément de temps pour déterminer le déplacement de la mi-portée dans le temps. Le modèle fournit des résultats précis pouvant être utilisés pour prédire le déplacement maximal des panneaux selon les données de fonction de forces.