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From theory to practice: FRP STRENGTHENING OF THE STE-ÉMÉLIE BRIDGE Pierre Labossière, ing. Ph.D. Professeur Département de génie civil.

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1 From theory to practice: FRP STRENGTHENING OF THE STE-ÉMÉLIE BRIDGE Pierre Labossière, ing. Ph.D. Professeur Département de génie civil

2 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRP Strengthening of the Ste-Émélie Bridge

3 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRP Strengthening of the Ste-Émélie Bridge

4 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

5 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer –Fibre reinforced polymers

6 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer –Stress-strain curves f frpu E frp Fibre (glass or carbon) Matrix (epoxy or vinylester) Strain Stress

7 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer

8 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer

9 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer

10 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer

11 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer

12 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer –Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ) –Live load rating factor LLRF = ( C 1 R – C 2 D) / C 3 L –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

13 Département de génie civil, Université de Sherbrooke FRPs for the structural engineer –Interest of the Ministère des Transports du Québec (MTQ) –Strengthen bridges for which LLRF < 0.85 LLRFNumber of bridgesAverage age (yrs.) non-evaluated98639 > 119846 from 0.85 to 110551 < 0.8522352 151242

14 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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 conditionFCS –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

15 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

16 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Bridge description –Location :Sainte-Émélie-de-lÉnergie, 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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21 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

22 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

23 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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)

24 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Research program

25 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Research program 900 mm 500mm 65 mm 150 mm 5-20M

26 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Research program C L 3365 2635 14 @ 200 2 @ 305 Stirrups : = 4.76 mm

27 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Strengthening for bending and shear

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37 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Strengthening for bending and shear

38 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Design methods Stresses fcfc fsfs f c a TsTs CcCc bwbw h d Section f frp T frp frp c c s Strains bi si ci CsCs f s d

39 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Design methods

40 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Design methods –Strengthening for shear LeLe

41 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

42 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

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46 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Strengthening for bending and shear

47 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

48 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge Beam T2 (Replark - 6 c.)

49 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Research description

50 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

51 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

52 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge Beam T3 (Carbodur)

53 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Test results

54 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Design methods

55 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Design methods

56 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –FRP strengthening of the bridge Position with respect to centre of support (mm) Before reinforcement After reinforcement

57 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –FRP strengthening of the bridge Before reinforcement After reinforcement Position with respect to centre of support (mm)

58 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

59 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

60 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –FRP strengthening of the bridge

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88 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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

89 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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

90 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Budget breakdown Total cost : $108,500 450 $/m 2 about 40-50 % of the cost of new construction

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95 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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

96 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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

97 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

98 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Bridge testing

99 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge

100 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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

101 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13, 14, 15 C L 16, 17, 18 19, 20, 21 22, 23, 24 14 13 15 17 16 18 20 19 21 23 22 24

102 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

103 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Long-term monitoring

104 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Long-term monitoring

105 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Long-term monitoring

106 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –Conclusions –Repairwork Repair of concrete surface was more difficult than anticipated Installation of flexural FRP reinforcement was relatively easy

107 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Ste-Émélie de l'Énergie Bridge –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)

108 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

109 Département de génie civil, Université de Sherbrooke 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

110 Département de génie civil, Université de Sherbrooke

111 Université de Sherbrooke Pedestrian 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

112 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian 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

113 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge 2002 ISIS Student Design Competition Winning entry by a team of Queens University Reinforced concrete girders and slab reinforced with FRP rebars Rigid frame (square HSS) Steel deck Concrete cover

114 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

115 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

116 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

117 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

118 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

119 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

120 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

121 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Université de Sherbrooke Pedestrian Bridge

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123 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

124 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Immersion conditions : Freshwater at 4 C, 21 C and 38 C Saltwater at 21 C Exposure: 10 000 hrs Specimens : Mitsubishi Replark Tyfo SEH51 Measurement of Water absorption - gain in weight Tensile strength Durability of FRPs

125 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Durability of FRPs Water absorption of composite plates

126 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Durability of FRPs Tensile strength of coupons

127 Département de génie civil, Université de Sherbrooke Durability of FRPs Beams reinforced with: SIKA Carbodur Mitsubishi Replark Exposure cycle : 5-day immersion in fresh water at 21 C 2 days drying at 21 C Beams are 1060 mm long Results up to 26 cycles


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