Design procedures for GFRP reinforcing bars in pile caps

This project intends to study and validate the design of bridge pile caps made of GFRP reinforced concrete. The analytical work is based on a software created by the Florida Department of Transportation (FDOT), called Bent Cap Mathcad program (Intermediate Bent-Cap Analysis & Design), in compliance with the provisions of AASHTO LRFD-14 Bridge Design Specification, ACI 440.1R-06 and the latest development specifications issued by the Florida Department of Transportation. The pile cap is one of the most challenging parts of a bridge, because it is characterized by a thick cross section requiring heavy flexural and shear demand. The first task consists in the use of the software for the design of the pile cap of a now-under construction GFRP Bridge, the Halls River Bridge. Detailing of the GFRP reinforcement is one of the important outcomes of this task; in particular, the final construction drawings are compared to the outcomes of the program, in order to make a validation of the software. Commentary is provided to the analytical Mathcad program and modifications to the existing program are proposed, on the base of the new knowledge from research outcomes and ACI code writing efforts presently under development. This task might give important results in order to propose a revision of the design criteria in the FRP Design Guidelines regarding GFRP reinforcement. A further task focuses on the parametric analysis. The bent cap of Halls River Bridge is studied again, focusing the attention on some specific parameters and analyzing their relation with the necessary reinforcement of the structure. The result of this study shows the curve of the percentage of reinforcement saving in relation with the variation of these parameters. This analysis lays within a comprehensive effort to the implementation in the new AASHTO LRFD Regulations. Finally, the last task focuses on the bond coefficient, one of the most influencing parameter in the design of the GFRP reinforced structures, since it enters in the determination of the width of the cracks. This work investigates several studies which have focused on the bond behavior between the GFRP rebars and the concrete matrix, with the aim of clarifying the main issues and to provide a state of the art on this subject. Furthermore, experimental data coming from pull out tests on helically wrapped GFRP rebars are analyzed with the main purpose to introduce a new formulation for the determination of the bond coefficient. Until now, the determination of the bond coefficient has been realized performing a full-scale beam test, instead, the block pull out tests have always been used for the evaluation of the bond stress-slip law. This study intends to introduce a direct relation between the bond coefficient k_b and the bond stress τ determined from the pull out tests.

Il presente elaborato si pone l’obbiettivo di studiare e validare la progettazione di una specifica componente del ponte: il pulvino. Si tratta di un elemento solitamente caratterizzato da una geometria tozza, il quale è soggetto ad importanti sollecitazioni sia a flessione che a taglio. In questo studio, si intende presentare il processo di dimensionamento di questa parte strutturale secondo le normative Americane AASHTO LRFD-14 Bridge Design Specification, ACI 440.1R-06 e ACI 440.1R-15. Nello specifico, si intende prendere in esame un ponte che è attualmente in fase di costruzione, Halls River Bridge, con l’obbiettivo di progettare l’armatura necessaria per sostenere i carichi di progetto. Per il calcolo analitico delle sollecitazioni di progetto e per le verifiche sull’armatura, si intende utilizzare un software di calcolo messo a punto dal Dipartimento dei Trasporti Americano (FDOT) seguendo le prescrizioni normative di AASHTO LRFD-14 e ACI 440.1R-06 e secondo le più recenti linee guida presentate dall’FDOT. In questa fase, si ha l’obbiettivo di analizzare il funzionamento del programma, in modo tale da validarlo, eseguendo un confronto tra i disegni strutturali del ponte e l’output del programma. Questa parte ha inoltre lo scopo di proporre un aggiornamento del codice al fine di rendere più semplice il suo impiego all’utilizzatore. Successivamente, viene realizzata un’analisi parametrica del medesimo pulvino, con lo scopo di valutare i principali parametri progettuali che influenzano il design strutturale. Nello specifico, questo elaborato di tesi fa parte di un progetto più ampio di aggiornamento della nuova versione di AASHTO LRFD Bridge Design Specification, che si pone l’obiettivo di modificare i limiti e i coefficienti sino ad ora utilizzati nella progettazione, al fine di rendere meno oneroso il rinforzo strutturale. Per questa ragione, si intende eseguire nuovamente la progettazione del pulvino del ponte Halls River Bridge, focalizzando l’attenzione sull’influenza che ciascun parametro di interesse ha sul rinforzo finale del pulvino. Nell’ultima fase del presente elaborato, lo studio si concentra sulla determinazione del coefficiente di aderenza delle barre in GFRP. Si tratta di un parametro particolarmente influente nella progettazione allo Stato Limite di Esercizio, in quanto da esso dipende la verifica alla fessurazione. Si intende quindi realizzare un’analisi bibliografica nella quale vengono presentati numerosi studi realizzati sino ad oggi, con lo scopo di presentare uno “stato dell’arte” il più completo possibile. Successivamente, si procede all’analisi ed elaborazione dei dati sperimentali provenienti dai test di pull out eseguiti su barre in GFRP con superficie “helically wrapped”. In quest’ultima fase, l’obiettivo è quello di proporre una nuova formulazione per la determinazione diretta del coefficiente di aderenza dai test di pull out, in quanto attualmente la norma vigente prevede la realizzazione di un test specifico e particolarmente oneroso.