From theory to practice: FRP STRENGTHENING OF THE STE-ÉMÉLIE BRIDGE Pierre Labossière, ing. Ph.D....
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From theory to practice:FRP STRENGTHENING
OF THE STE-ÉMÉLIE BRIDGE
From theory to practice:FRP STRENGTHENING
OF THE STE-ÉMÉLIE BRIDGE
Pierre Labossière, ing. Ph.D.
Professeur
Département de génie civil
Département de génie civil, Université de Sherbrooke
FRP Strengthening of the Ste-Émélie Bridge
Département de génie civil, Université de Sherbrooke
FRP Strengthening of the Ste-Émélie Bridge
Département de génie civil, Université de Sherbrooke
Outline
– FRPs for the structural engineer– Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Bridge description– Research program– FRP strengthening of the bridge– Bridge testing– Budgetary considerations– Instrumentation– Remarks
– Conclusion
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FRPs for the structural engineer
– Fibre reinforced polymers
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FRPs for the structural engineer
– Stress-strain curves
f
frpu
frpu
E frp
Fibre (glass or carbon)
Matrix (epoxy or vinylester)
Strain
Str
ess
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FRPs for the structural engineer
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FRPs for the structural engineer
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FRPs for the structural engineer
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FRPs for the structural engineer
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FRPs for the structural engineer
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FRPs for the structural engineer
– Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ)
– Live load rating factor LLRF = ( C1R – C2D) / C3L
– LLRF › 1 QS 660 satisfied– 0.85 ‹ LLRF ‹ 1 Legal load acceptable
– Forbidden to overloaded trucks
– Reinforcement recommended
– LLRF ‹ 0.85 Legal load excessive– Reduced maximum load posted
– Reinforcement compulsory
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FRPs for the structural engineer
– Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ)
– Strengthen bridges for which LLRF < 0.85
LLRF Number of bridges Average age
(yrs.)
non-evaluated 986 39
> 1 198 46
from 0.85 to 1 105 51
< 0.85 223 52
1512 42
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FRPs for the structural engineer
– Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ)– Observation
– Bridge condition directly related to its LLRF – Bridge in good condition FCS – Bridge in poor condition FCS
– Search for a demonstration project– Identify a bridge in need of reinforcement (FCS < 1),
representative of a large number of existing bridges, and with a concrete surface condition that would allow easy installation of FRPs
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FRPs for the structural engineer
– Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ)
– Evaluate FRPs as strengthening method
– Aim at 33 % of cost of new construction– Accessibility to majority of contractors– Minimal technical training for
installation/supervision– Design methods available to design engineers
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Bridge description– Location :Sainte-Émélie-de-l’Énergie, QC– Original construction : 1951– Length: 21.3 m (70 ft.)– Total width : 11.2 m; 2 traffic lanes : 9.1 m wide – Original design load - H20 truck load– New design load - QS660, CSA Standard S6-88
– Need to increase flexural capacity by 35%– Need to increase shear capacity by 20%
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
2 743457
1 52
4
11 2
00
9 14
4
21 336
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Research program– Laboratory testing of various strengthening
schemes Rectangular beams
– 105 x 350 mm; length = 3.0 m T-beams
1:3 scale model of section; length = 6.5 m
– Durability assessment Freeze-thaw cycles Wet-dry cycles Small-scale beam specimens (1.1 m long)
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– Research program
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– Research program
900 mm
500
mm
65 mm
150 mm
5-20M
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Research program
CL
33652635
14 @ 200 2 @ 305
Stirrups : = 4.76 mm
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– Strengthening for bending and shear
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– Strengthening for bending and shear
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– Design methods
Stresses
fc
fs
f’ca
Ts
Cc
bw
h d
Section
ffrp Tfrpfrp
cc
s
Strains
bi
si
ci
Csf ’sd’
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– Design methods
cf sf frp
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– Design methods– Strengthening for shear
Le
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Design methods CSA S6-00 (2000): Canadian Highway Bridge Design Code.
(Chapitre 16 – Fibre Reinforced Structures.) CSA S806-01: Design and Construction of Building
Components with Fibre Reinforced Polymers, en préparation. ISIS-M03-01 (2001): Reinforcing Concrete Structures with
Fibre Reinforced Polymers. ACI 440-F: Guide for the Design and Construction of
Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures, draft document 2000.
Europe: Design Guidance for Strengthening Concrete Structures Using Fibre Composite Materials
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– Strengthening for bending and shear
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Beam T2 (Replark - 6 c.)Beam T2 (Replark - 6 c.)
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– Research description
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Beam T3 (Carbodur)Beam T3 (Carbodur)
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– Test results
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– Design methods
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– Design methods
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– FRP strengthening of the bridge
710
3124
3980
710
4506
5363
2520
1094
2741
3475
4473
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Position p/r au centre de l'appui (mm)
Mom
ent
(kN
.m)
Mf QS-660
Mr avant renf.
Mr après renf.
Position with respect to centre of support (mm)
Before reinforcement
After reinforcement
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– FRP strengthening of the bridge
873757
656590 557
640
1043
874
739673
0
200
400
600
800
1000
1200
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000
Position p/r au centre de l'appui (mm)
Eff
ort
tran
chan
t (k
N)
Vf QS-660
Vr avant renf.
Vr après renf.
Before reinforcement
After reinforcement
Position with respect to centre of support (mm)
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– FRP strengthening of the bridge– Two options considered in Call for Tenders– Rehabilitation scheme :
Flexural strengthening 6 SIKA Carbodur S614 strips, 20.4 m long and 60 mm-
wide, per beam Total length of reinforcement for bridge = 490 m
Shear strengthening External GFRP stirrups with variable spacing 52 sq.metres of SikaWrap Hex 100G per beam
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– FRP strengthening of the bridge
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
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– Schedule Site preparation, platform installation: Sept. 8-9 Installation of gauges on existing steel reinforcement: Sept 10-11 Loading test: Sept. 14 Repair of concrete (sandblasting, mortar): Sept. 15 - Oct. 2 FRP, westbound side, flexural: Sept. 28 - 29 FRP, westbound side, shear: Sept. 30 - Oct. 1 FRP, eastbound side, flexural: Oct. 6 -7 FRP, eastbound side, shear: Oct. 7-8 Installation of fibre optic sensors on strengthened structure: Oct. 8 - 13 Loading test: Oct. 14 Completion of repairwork: Oct. 16
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– Budget breakdown
Initial cost estimate ($96,000) Bid retained (on invitation) ($97,950)
Repairwork contracted out $ 104,000 (supplementary repairs)Extras $ 3,000 (sandblast + repair of supports)Protective coating not included in specs. $ 1,500
Total$ 108,500
Load testing $5,000
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– Budget breakdown
Total cost : $108,500 450 $/m2
about 40-50 % of the cost of new construction
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– Bridge testing– Three series of tests
before the repairwork just after the repairwork one year after the repairwork
– Objectives of the tests evaluation of the general behaviour of the bridge evaluation of stiffness increase validation of the fibre optic sensors
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– Bridge testing– Three 4-axle, 33-ton trucks– Load configurations :
Static loading :– 9 loading configurations (one truck on line A, one truck
on line B, etc…)– 8 stopping positions for each loading configuration
Dynamic loading :– convoy of 3 trucks, braking on the bridge
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– Bridge testing1 2 3 4 6 7 8
5
A
B
C
D
A1 (Truck 2) A4 (Truck 1)
C4 (Truck 3)
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
Str
ain
(x 1
0-6)
J111 before reinf.J111 after reinf.
Mid
-spa
n de
flect
ion
(mm
)
D2 before reinf.D2 after reinf.
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– Instrumentation– Electric gauges
8 gauges on existing rebars, installed by MTQ 20 gauges on FRPs
– Fibre optic sensors 8 Fabry-Perot 20 Bragg
– Thermocouples 10 - to evaluate effect of temperature on gauges
– Positions of fibres and gauges determined for comparison purposes
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
12
34
56
78
9
10
11
12
13, 14, 15
CL
16, 17, 18
19, 20, 21
22, 23, 24
14
13
1517
16
1820
19
2123
22
24
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Long-term monitoring– Periodic readings:
electrical strain gauges, fibre optic sensors and thermocouples
approximately 1 series every 6-weeks
– Continuous readings: Fabry-Pérot sensors and external temperature 6 periods, each varying from 5 to 14 days
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Long-term monitoring
5
10
15
20
25
30
Time (hours)
Tem
per
atu
re (
oC
)
-10
0
10
20
30
40
50
60
70S
trai
n
F17
F14
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Long-term monitoring
4850
4900
4950
5000
5050
5100
5150
5200
5250
-30 -20 -10 0 10 20 30 40
Temperature
Me
as
ure
d S
tra
ins
Strain = 6.7 T (oC) + 5004
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Long-term monitoring
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
fév.
99
mai
99
aoû
t 99
oct
. 99
jan
v. 0
0
juil
l. 0
0
oct
-00
no
v-00
jan
v-01
avr-
01
juil
-01
juil
-01
jan
v-02
juin
-02
Te
mp
era
ture
-250
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
Str
ain
Temperature Measured Residual
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– Conclusions– Repairwork
Repair of concrete surface was more difficult than anticipated
Installation of flexural FRP reinforcement was relatively easy
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– Conclusions– Repairwork
Special care was required in removing air trapped between the FRP and concrete surface for shear reinforcement, and to prevent slip during installation
It was necessary to heat the construction area for proper curing due to low temperature (October 1998)
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Ste-Émélie de l'Énergie Bridge
– Conclusions– Monitoring
Readings from conventional gauges and LVDTs confirmed the anticipated behaviour of the FRP-strengthened structure under static loading
Readings of the fibre optic sensors are comparable with those of the conventional gauges
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Acknowledgements
– Ministère des Transports du Québec– Gérard Desgagné, Guy Richard
– ISIS Canada– Department of Civil Engineering,
University of Sherbrooke– Prof. K.W. Neale– Marc Demers, Pierre Rochette– Laurent Thibodeau, Claude Aubé– Philippe Lamothe, Patrick Lapierre, Yves Beaudoin,
Patrice Pouliot, Éric St-Georges, Derek Tardif
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
– Entrance of the Faculty of Engineering– Design Competition for Students
– ISIS Canada
– Five Submissions– Queen's University– Université de Sherbrooke– University of Waterloo– University of Manitoba– University of Alberta
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
– Objectives of the Design Competition To illustrate ISIS technologies
– FRP reinforcement– Fibre optic monitoring
Strain sensors, temperature probes, accelerometer, web camera
Data available on-line over a web site
To provide a real practical experience to ISIS Canada students
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
2002 ISIS Student Design Competition
Winning entry by a team of Queen’s University
Reinforced concrete
girders and slab reinforced with
FRP rebars
Rigid frame(square HSS)Steel deck Concrete cover
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
Département de génie civil, Université de Sherbrooke
Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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Université de SherbrookePedestrian Bridge
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3 Exposure sites :•Sherbrooke•Tsukuba, Okinawa (Japan)
Specimens :
•Sheets, plates, laminates, epoxy plates
•FRP-Confined concrete cylindres
•Beams externally reinforced with FRPs
Project began in 1997.
Exposure to continue until 2007
Correlation with accelerated ageing conditions under development
Durability of FRPs
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Immersion conditions :
• Freshwater at 4C, 21C and 38C• Saltwater at 21C
Exposure: 10 000 hrs
Specimens :
• Mitsubishi Replark
• Tyfo SEH51
Measurement of
• Water absorption - gain in weight
• Tensile strength
Durability of FRPs
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Durability of FRPs
Water absorption of composite plates
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
Solution and temperature of exposure
Wei
ght
gain
aft
er 1
0 00
0 h
ours
of
imm
ersi
on (
%)
GFRP laminates
CFRP laminates
water 4°C water 21°C water 38°C saltwater 21°C
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Durability of FRPs
Tensile strength of coupons
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
Environmental exposure prior to tension tests
Ult
imat
e st
reng
th/u
nit
wid
th (
kN/m
m) GFRP unidirectional coupons (2 plies)
CFRP unidirectional coupons (4 plies)
10 000 hrs immersionin water, 4°C
10 000 hrs immersionin water, 21°C
10 000 hrs immersion insaltwater (4%NaCl), 21°C
10 000 hrs immersion in water, 38°C
Control specimens
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Durability of FRPs
Beams reinforced with:• SIKA Carbodur• Mitsubishi Replark
Exposure cycle :
• 5-day immersion in fresh water at 21C• 2 days drying at 21C
Beams are 1060 mm long
Results up to 26 cycles