Reliability Analysis of FRP Strengthened Prestressed Concrete Girders

Abstract

Nas últimas décadas o grande aumento de tráfego proporcionou fortes investimentos em redes de autoestradas. A utilização de vigas prefabricadas em betão pré-esforçado é uma das possíveis soluções empregue na construção de pontes e viadutos. Contudo, o envelhecimento destas estruturas devido a vários fenómenos (corrosão, falta de manutenção, sobrecarregamento, impactos, etc), faz com que o seu tempo de vida útil se torne mais reduzido do que o inicialmente previsto, e consequentemente seja cada vez mais frequente recorrer ao seu reforço ou reabilitação. O uso de polímeros reforçados com fibras (FRP) como reforço por colagem externa (EBR) tem-se vindo a popularizar devido às suas vantagens, nomeadamente: baixo custo, rapidez e facilidade de aplicação. No entanto, o uso de FRP na construção civil é ainda relativamente recente quando comparado com outros materiais tais como o betão ou o aço, sendo a maioria dos estudos relacionados com esta matéria de natureza experimental ou numérica. Nesta tese, é apresentado um estudo de fiabilidade de vigas em betão pré-esforçado reforçadas com FRP de carbono (CFRP). É estudada a natureza estatística das propriedades mecânicas de CFRP, sendo este um assunto de extrema importância na análise de fiabilidade de elementos estruturais reforçados com FRP, dada a sua relevância na resistência estrutural. Os modelos desenvolvidos permitem caracterizar estatisticamente as propriedades mecânicas de CFRP para serem usados em análises do âmbito de fiabilidade estrutural. São efetuadas análises de fiabilidade de vigas em betão pré-esforçado representativas do contexto estrutural português dos últimos 40 anos. Estas análises têm como objetivo a calibração de fatores parciais de segurança de CFRP, considerando o comportamento não linear das vigas através de modelos de elementos finitos com descontinuidades fortes para caracterizar a fissuração do betão e tendo em conta: i) o método de fiabilidade de primeira ordem (FORM) e o método das superfícies de resposta (RSM), ii) vários níveis de dano estrutural, iii) laminados de CFRP para reabilitar as vigas; e iv) o regulamento Português RSA para o dimensionamento e o regulamento Eurocódigo 1 para o reforço. Os resultados mostram que o RSA é menos conservativo que o Eurocódigo 1, as variáveis carga de tráfego e incertezas nos modelos são fundamentais para este tipo de análise e o fator parcial de segurança determinado está de acordo com os sugeridos em regulamentos existentes – CEB/FIB e CNR. Esta metodologia pode servir de apoio ao desenvolvimento de regulamentos de dimensionamento de reforço de estruturas com FRP, tendo em conta o comportamento não linear, a degradação e o contexto estrutural. Posteriormente são realizadas análises de fiabilidade em função do tempo de uma viga em betão pré-esforçado, considerando a degradação devido à corrosão dos cabos de pré-esforço, que é uma das causas mais preocupantes para a degradação estrutural. Para tal, a corrosão é estimada variar: i) em função do tempo através de modelos existentes; e ii) ao longo do comprimento da viga considerando os limites de Ditlevsen para análises de fiabilidade de elementos em série. As vigas são reabilitadas com laminados de CFRP. Os limites de Ditlevsen mostram ser uma ferramenta útil para calcular a fiabilidade de sistemas em série de vigas em betão pré-esforçado, considerando a corrosão ao longo da viga, e os CFRP mostram poder recuperar com sucesso a fiabilidade estrutural a longo prazo. O método apresentado prova ser útil para apoiar os engenheiros durante o processo de tomada de decisões.

During the last decades, large stocks of prestressed concrete (PC) girders bridges were built all over the world to accommodate the growth in traffic. However, the deterioration processes often observed in reinforcement concrete (RC) elements, resulting from several factors (e.g., corrosion, lack of maintenance, overloading, impact, etc), can significantly reduce its structural lifetime. Thus, when a certain degree of deterioration is reached, strengthening is a fundamental tool to restore the full structural capacity. The use of fibre reinforced polymer (FRP) composites as externally bonded reinforcement (EBR) for repair or rehabilitation purposes, is an increasingly used technology given its advantages, namely reduced costs, low weight, simplicity of installation and quickness. Nonetheless, the use of FRP in concrete structures is relatively new, when compared with other materials -- e.g., concrete or steel -- and the majority of studies concerning this subject are of experimental or numerical nature, neglecting probabilistic based studies. This thesis deals with different topics related with reliability analysis of carbon FRP (CFRP) strengthened PC girders. The statistical characteristics of the mechanical properties of CFRP are firstly studied. This is fundamental for structural reliability of FRP strengthened elements, since these are usually important in failure. The developed models provide a way of characterising the probabilistic nature of CFRP for reliability analysis. After this, PC girders representing the construction practice in Portugal during the last four decades, are analysed. A method for the calibration of CFRP partial safety factors considering non-linear finite element analysis using strong discontinuities for concrete cracking is presented. The proposed procedure uses: i) the First Order Reliability Method (FORM) and the Response Surface Method (RSM), ii) several levels of damage, iii) CFRP laminates to repair or upgrade the girders; and iv) the Portuguese code RSA during the design stage and the Eurocode 1 for the strengthening process, to characterise the structural context. Additionally, the outcomes of this study confirm that the RSA is less conservative than the Eurocode 1, traffic loads and models uncertainties random variables are fundamental for this type of analysis and the computed partial safety factor is in agreement with those proposed in existing codes -- CEB/FIB and CNR. This methodology can support the development of a safety-check code for the use of FRP, taking into account the structural non-linear behaviour and degradation. A time-dependent reliability analysis of a PC girder is also carried out considering the deterioration due to prestressing strands corrosion, which is the most concerning cause of RC structures degradation. The temporal and spatial nature of corrosion is considered through: i) existing time-dependent models; and ii) series system reliability analysis using the Ditlevsen bounds. The repair process to restore the girder safety is considered to be made using CFRP as EBR. The adopted procedure shows that pitting corrosion strongly reduces the reliability of the girder, which can be successfully restored using CFRP. Additionally, spatial corrosion can be considered using the Ditlevsen bounds and traffic loads, models uncertainties and corrosion rate are the most important variables. This method can be a basis for a tool used for maintenance decision practices for the concrete heritage.