Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section d'architecture, Institut de structures IS (Laboratoire de construction en composites CCLAB)

Composite action of FRP bridge decks adhesively bonded to steel main girders

Gürtler, Herbert W. ; Keller, Thomas (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3135.

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    Summary
    Up until today reinforced concrete has been used in most cases for the manufacturing of bridge decks. Depending on the quality of the work carried out, defects can already occur after only a few years. These defects mostly appear in the form of corrosion of the steel reinforcement due to concrete's sensitivity to de-icing salts and water. To reduce maintenance costs, which are mainly caused by corrosion of the steel reinforcement, attempts were made to eliminate the steel reinforcement in the bridge deck. This was achieved for example by replacing the whole concrete bridge deck with an FRP1 bridge deck. FRP bridge decks, besides the advantage of the absence of steel reinforcement, exhibit the advantage of a low dead load (approx. 20% of a comparable concrete deck) combined with high strength. These properties resulted in the fact that today more than 200 bridges with FRP decks are in service worldwide. Most of them need steel or concrete main girders to bridge the required span. Despite the many bridges already in service, assessment of their load-bearing capacity or deflections still remains difficult. Some of the reasons for this this are as follows: Geometry and material properties vary considerably between different FRP bridge-deck types. The problem of the connection between main girders and bridge decks has only been partially solved. No design method exists which allows determination of the stresses and deflections of composite girders, and takes the degree of composite action of the bridge deck into account. This thesis contributes to solve these problems. Experiments with two different bridge decks were carried out in order to determine the necessary system properties (in-plane compression and shear resistance and in-plane compression and shear stiffness) for the calculation of the load-bearing behavior of steel/FRP composite girders. The method developed to determine the system properties can also be applied to other FRP bridge decks (e.g. sandwich decks). In a second step, four composite girders (two with each bridge deck) were manufactured by bonding the bridge decks onto conventional steel girders. Local failure of the bridge deck, as occurs in girders with stud or bolt connections, is therefore prevented and a clear load transfer in the joint is assured. One of the two girders, with each bridge deck system, was tested statically and the other statically and under fatigue loads. The results of the girder experiments showed that adhesive bonding is a reliable connection technique, since failure always occurred first in the bridge deck and then in the adhesive layer. The stiffness and failure load of the composite girders could be increased considerably in comparison with the pure steel girder. The determined system properties concerning in-plane shear and compression stiffness were confirmed with the girder experiments. The results of the experiments with the composite girders were compared with results of an analytical design method for concrete/wood girders adapted for steel/FRP composite girders. It was shown that the load-bearing behavior of composite girders consisting of steel main girders and adhesively- bonded FRP bridge decks can be determined with good accuracy in the linear-elastic region. Furthermore a design method was developed which allows the loadbearing capacity of the steel/FRP composite girders investigated in this thesis to be determined with very good accuracy. Subsequently a parameter study was carried out in order to verify the assumption of full composite action in the adhesively- bonded joint. This is one of the requirements for application of the developed design methods. The study showed that the assumption is applicable for different adhesives and even for thicknesses up to 50 mm. ---------------------------------------- 1 Fiber Reinforced Polymer
    Résumé
    Resumé Pour la construction de tablier de ponts, on utilise, jusqu'à aujourd'hui, presque exclusivement le béton. Toutefois, suivant la qualité du travail, des défauts peuvent apparaître déjà après quelques années. Ces défauts sont dans la majorité des cas des défauts de corrosion de l'armature dus à la sensibilité du béton à l'eau et aux sel. Pour réduire les coûts de maintenance de plus en plus grands, coûts surtout dus à la corrosion de l'armature, on a travaillé sur des solutions consistant à remplacer l'armature en acier. On a même remplacé tout le tablier en béton par un tablier en fibre de verre. Un tablier de pont en fibre de verre a, au-delà des avantages liés à la corrosion, l'avantage du poids propre très réduit (d'environ un cinquième du poids propre d'un tablier en béton armé) avec une résistance mécanique comparable. Ces caractéristiques on fait que l'on a construit jusqu'à présent environ deux cents ponts avec des tabliers en fibre de verre de part le monde. La plupart de ces ponts nécessitent des porteurs primaires en acier ou en béton pour enjamber les portées requises. Malgré le grand nombre de projets réalisés, il demeure encore très difficile de prédire la charge ultime et la déformation de ces constructions. Ceci est en partie imputable aux raisons suivantes : La géométrie et les propriétés mécaniques des tabliers diffèrent beaucoup d'un tablier à l'autre, d'un fabricant à l'autre. Le problème de la jonction entre le tablier et le porteur primaire en acier ou béton n'est que partiellement résolu (jusqu'à présent avec des goujons et/ou des boulons). Il n'existe pas encore de méthode qui permette de calculer et de prendre en compte les contraintes et déformations du tablier. Le travail suivant se veut une ébauche pour résoudre ce problème pas à pas. Des essais menés sur deux types différents de tabliers ont permis de déterminer des caractéristiques de système (rigidité à la compression et au cisaillement) nécessaires à la description et au calcul de poutres mixtes acier-fibre de verre. La méthode développée pour déterminer les caractéristiques de système est aussi valable pour d'autres tabliers en fibre de verre comme par exemple des tabliers sandwich. Dans une deuxième étape, des essais sur quatre poutres mixtes acier-fibre de verre (deux fois deux essais avec des systèmes différents) obtenues en collant des tabliers en fibre de verre sur des poutres en acier on été effectués. Le collage permet de réduire la ruine locale, car il n'existe ni goujon ni boulon ; le flux des forces est optimisé. A chaque fois, un essai statique et un essai dynamique (de fatigue) ont été effectués. Les résultats on montré que coller est un moyen de connexion sûr, car la ruine s'est toujours produite en premier lieu dans le tablier. La rigidité est la charge maximale ont pu augmentées considérablement. Les résultats de ces essais ont été comparés à des calculs menés avec une méthode analytiques pour des poutres composite béton/bois spécialement adaptée à la poutre mixte acier-fibre de verre. Il a été démontré que cette méthode prédit les contraintes et la déformation des poutres mixte acier-fibre de verre avec une bonne précision dans le domaine linéaire. D'autre part une méthode pour déterminer avec une grande précision la charge ultime du système a aussi été développée. Par la suite, une étude paramétrique a démontré que l'hypothèse formulée dans ce travail, à savoir l'action composite dans la couche de colle entre le tablier et la poutre primaire en acier, est valable pour différentes colles jusqu'à des épaisseurs de colle de 50 mm.
    Zusammenfassung
    Zur Herstellung von Fahrbahnplatten für den Brückenbau wurde bisher fast ausschliesslich der altbewährte Baustoff Beton eingesetzt. Je nach Qualität der ausgeführten Arbeiten können aber bereits nach wenigen Jahren Mängel auftreten. Meist äussern sich diese Mängel in Form von Bewehrungskorrosion welche durch die Empfindlichkeit des Betons gegenüber Wasser und Tausalz verursacht wird. Um die steigenden Unterhaltungskosten, welche hauptsächlich auf die Bewehrungskorrosion zurückzuführen sind, zu reduzieren wurde daran gearbeitet den Bewehrungsstahl zu ersetzen. Dies wurde zum Beispiel dadurch erreicht, daß die komplette Beton Fahrbahplatte durch eine aus GFK1 ersetzt wurde. Fahrbahnplatten aus GFK haben ausser dem genannten Vorteil der nicht vorhandenen Stahlbewehrung noch den Vorteil des geringen Eigengewichtes (ca. 20% einer vergleichbaren Betonplatte) in Verbindung mit einer hohen Festigkeit. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, daß weltweit bereits mehr als 200 Brücken mit GFK Fahrbahnplatten im Einsatz sind. Die meisten dieser Brücken benötigen Stahl- oder Betonhauptträger um die geforderten Spannweiten zu überbrücken. Trotz der sich bereits in Betrieb befindlichen großen Anzahl von GFK Brücken bereitet die Beurteilung der Tragkraft oder der Verformung erhebliche Schwierigkeiten. Dies, hat unter Anderen folgende Gründe: Die Geometrie und Materialeigenschaften unterscheiden sich beträchtlich zwischen den unterschiedlichen Brückenplatten (Hersteller). Das Problem der Verbindung zwischen den Hauptträgern und den Brückenplatten ist nur unzureichend gelöst (bisher mittels Schrauben und Kopfbolzendübeln). Es gibt keine Berechnungsmethode die es erlaubt, Spannungen und Verformungen unter Berücksichtigung des Traganteiles der Fahrbahnplatten zu ermitteln. Die vorliegende Arbeit soll ein Ansatz sein diese Probleme Schritt für Schritt zu lösen. Durch Versuche an zwei verschiedenen Brückenplatten werden die Systemeigenschaften (Druck- und Schubfestigkeit sowie Druck-und Schubmodul) ermittelt welche zur Berechnung von Stahl/GFK Verbundträgern notwendig sind. Die entwickelte Methode zur Bestimmung der Systemparameter kann auch auf andere Brückenplatten (z.B. Sandwichelemente) angewandt werden. In einem weiteren Schritt werden insgesamt vier Verbundträger (zwei mit jeder Brückenplatte) durch Aufkleben der GFK-Fahrbahnplatte auf Stahlträger hergestellt. Durch das Kleben der Fahrbahnplatte auf die Hauptträger wird lokales Versagen verhindert, da es weder Schrauben noch Kopfbolzendübel gibt, und ein eindeutiger Kraftfluss wird gewährleistet. Jeweils einer der beiden Träger wurde statisch getestet, der Andere statisch und auf Ermüdung. Die Ergebnisse der Trägerversuche haben gezeigt, daß Kleben eine verläßliche Verbindungstechnik zum Herstellen von Stahl/GFK Verbundträgern ist, denn Versagen trat zuerst immer im Brückendeck ein, nie in der Klebefuge. Außerdem konnte festgestellt werden, daß die Steifigkeit und die Bruchlast, im Vergleich zu einem einfachen Stahlträger, erheblich durch das Aufkleben einer GFK-Fahrbahplatte erhöht werden können. Die ermittelten Systemparameter bezüglich der Druck- und Schubsteifigkeit konnten durch die Versuche an den Verbundträgern bestätigt werden. Die Ergebnisse aus den Versuchen mit den Verbundträgern wurden mit Ergebnissen aus einer analytischen Berechnungsmethode für Beton/Holz Verbundträger, welche an die speziellen Anforderungen der Stahl/GFK Verbundträger angepasst wurde, verglichen. Hierbei hat sich gezeigt, dass das Tragverhalten (Spannungen und Durchbiegung) von Stahl/GFK Verbundträgern im linear elastischen Bereich mit guter Genauigkeit bestimmt werden kann. Weiterhin wurde eine Methode entwickelt, welche es erlaubt die Bruchlast von Stahl/GFK Verbundträgern mit sehr guter Genauigkeit zu bestimmen. Im Folgenden wird mittels einer Parameterstudie gezeigt, dass die Annahme voller Verbundwirkung in der geklebten Fuge, welche in der vorliegenden Arbeit getroffen wird, auch für unterschiedliche Kleber sowie für Klebdicken bis zu 50 mm gerechtfertigt ist. ---------------------------------------- 1 GlasFaser-verstärkte-Kunststoffe