FRP solutions for prestressed concrete elements

Fiber-reinforced Polymer (FRP) composites offer an effective alternative to typical steel reinforcement in concrete structures subjected to corrosive environments. Carbon FRP (CFRP) has historically been the preferred choice for prestressed concrete applications. However, its widespread is hampered by the high cost of the material, along with some technological drawbacks. These issues can be overcome using Glass FRP (GFRP) instead of CFRP in applications that do not require a high level of concrete pre-compression. This research aims to investigate and address the challenges related to the design and construction of FRP prestressed structures. The first task focuses on the validation and improvement of a design tool developed by the Florida Department of Transportation State Structures Design Office (FDOT-SSDO). The software is applied to validate the design of a state-of-the-practice CFRP prestressed concrete bridge recently built at the University of Miami named the Innovation Bridge. Commentary is provided to the design of the bridge and modifications to the existing program are proposed. The construction of the Innovation Bridge highlights limitations inherent to CFRP prestressing. Hence, prestressing of GFRP is proposed as an alternative solution to address some of the technological challenges. A crucial item to address is the creep-rupture capacity of GFRP material systems against sustained load. More than 200 experimental data coming from creep rupture tests on different types of GFRP bars are collected through collaboration with partner universities. The data are analyzed, and a statistical model is developed to characterize the creep rupture strength of GFRP bars and define rational design coefficients that offset the over-conservativeness of the previous generation of design codes. Assessed the feasibility of GFRP prestressing, a specific prototype is investigated. An experimental campaign is carried out to verify its ability to be tensioned using traditional prestressing techniques.

I materiali compositi fibrorinforzati (FRP) offrono un'alternativa efficace ai tipici rinforzi in acciaio nelle strutture in calcestruzzo armato esposte ad ambienti corrosivi. FRP in fibre di carbonio (CFRP) sono stati storicamente la scelta preferita per le applicazioni in calcestruzzo armato precompresso. Tuttavia, la loro diffusione è ostacolata dall'elevato costo del materiale, insieme ad alcuni svantaggi tecnologici. Questi problemi possono essere superati utilizzando FRP in fibre di vetro (GFRP) anziché CFRP in applicazioni che non richiedono un alto livello di precompressione del calcestruzzo. Questo lavoro di ricerca ha lo scopo di indagare e affrontare le sfide relative alla progettazione e alla costruzione di strutture precompresse in FRP. La prima parte si concentra sulla validazione e sul miglioramento di un software di calcolo sviluppato dal Dipartimento dei trasporti della Florida (FDOT). Il software è utilizzato per validare la progettazione di un ponte pedonale in cemento armato precompresso con CFRP, Innovation Bridge, costruito recentemente presso l'Università di Miami. In questa fase, si ha l’obbiettivo di analizzare il funzionamento del programma, in modo tale da validarlo, eseguendo un confronto tra i risultati di progetto 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. La costruzione dell’Innovation Bridge mette in evidenza i limiti della precompressione con CFRP. Di conseguenza, la precompressione con GFRP viene proposta come soluzione alternativa. Un elemento cruciale da affrontare è il fenomeno della fatica statica (creep rupture) delle barre in GFRP soggette a carichi a lungo termine. Attraverso la collaborazione con università partner sono stati raccolti più di 200 dati sperimentali provenienti da test di “creep rupture”. I dati vengono analizzati ed elaborati, sviluppando un modello statistico per caratterizzare la resistenza a “creep rupture” delle barre in GFRP, con l’obbiettivo di modificare i limiti e i coefficienti troppo conservativi sino ad ora forniti dalle varie prescrizioni normative. Valutata la fattibilità della precompressione con GFRP, si passa allo studio di un particolare prototipo. Viene condotta una campagna sperimentale per verificare l’effettiva possibilità di tesare il materiale utilizzando le tradizionali tecniche di precompressione impiegate per l’acciaio.