Assessment of ultra-high-performance fiber-reinforced cementitious composite as a surface repair and strengthening material for reinforced concrete slab bridge decks

Thumbnail Image

Files

master_Wirén_Alex_2025.pdf (7.85 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2025-06-29

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Building Technology

Language

en

Pages

90

Series

Abstract

The average condition of bridges in Finland has declined during the past decade, and is expected to continue declining due to rapid construction of bridges between the 1960’s and the 2000’s. Today, concrete bridges are repaired with concrete, allowing similar damages to reoccur. Ultra-high-performance fiber-reinforced cementitious composite (UHPFRC) offers significantly greater strength and durability than concrete, making it a promising alternative for the repair and strengthening of reinforced concrete (RC) bridges. This thesis examines the influence of UHPFRC overlays on the structural behavior and bending moment resistance of RC slab bridge decks. Furthermore, deflection and cracking behaviour are analysed with consideration to time dependent effects and construction stages. The study includes a parametric analysis using nonlinear finite element method (FEM) simulations and analytical calculations, validated by a case study. Results show that UHPFRC overlays can substantially enhance structural performance, when subjected to tension (i.e., in negative bending). When subjected to compression (i.e., in positive bending), it is only effective with sufficient tensile reinforcement, which is often lacking in older bridges. The parametric study found remarkable increase in bending moment resistance by over 60 %, for sections with low tensile reinforcement in negative bending, when strengthened with a 60 mm UHPFRC overlay. The case study, with properly designed reinforcement, showed an increase in ultimate moment resistance by 20 %, and decrease in tensile reinforcement strain by over 25 %, when strengthened with a 75 mm UHPFRC overlay in negative bending moment regions. The case study demonstrated negligible increase in deflection (≈ 10 %) despite staged construction. Also, the cracking behaviour showed improvement with reduction in maximum crack width, despite increasing number of cracks.

Suomen siltojen keskimääräinen kunto on heikentynyt viimeisen vuosikymmenen aikana, ja kunnon odotetaan heikkenevän edelleen, sillä suuri osa silloista rakennettiin 1960–2000-luvuilla. Tällä hetkellä betonisiltoja korjataan yleensä betonilla, mikä mahdollistaa samanlaisten vaurioiden uusiutumisen. Ultra-high-performance fiberreinforced cementitious composite (UHPFRC) tarjoaa merkittävästi parempaa lujuutta ja kestävyyttä kuin tavanomainen betoni, mikä tekee siitä lupaavan vaihtoehdon betonisiltojen korjaukseen ja vahvistamiseen. Tässä työssä tutkitaan UHPFRC-kerroksen vaikutusta teräsbetonisen laattasiltakannen rakenteelliseen käyttäytymiseen ja taivutusmomenttikestävyyteen. Lisäksi tarkastellaan taipumaa ja halkeilukäyttäytymistä ottaen huomioon ajasta riippuvat vaikutukset ja rakentamisen vaiheet. Tutkimus sisältää parametrisen analyysin epälineaarisilla elementtimenetelmän (FEM) simuloinneilla ja analyyttisilla laskelmilla, jota täydennetään case-tutkimuksella. Tulokset osoittavat, että valamalla siltakannen päälle UHPFRC-kerros voidaan parantaa rakenteellista suorituskykyä merkittävästi silloin, kun kerrokseen kohdistuu vetoa (eli negatiivisessa taivutuksessa). Puristukselle altistuvissa kohdissa (eli positiivisessa taivutuksessa) UHPFRC-kerros on tehokas vain, jos poikkileikkauksen vetoraudoitus on riittävä, mikä ei yleensä toteudu vanhoissa silloissa. Parametrisessa analyysissä havaittiin jopa yli 60 % parannus taivutusmomenttikestävyyteen negatiivisessa taivutuksessa olevissa kohdissa, kun käytettiin 60 mm paksuista UHPFRC-kerrosta, ja poikkileikkauksen vetoraudoitus oli vähäistä. Case-tutkimuksessa, jossa raudoituksen määrä on asianmukaisesti mitoitettu, 75 mm UHPFRC-kerros kasvatti murtomomenttikestävyyttä 20 % ja pienensi vetoraudoituksen venymää yli 25 %, kun se asennettiin negatiiviselle taivutusalueelle. Rakennusvaiheista huolimatta taipuman kasvu jäi vähäiseksi (≈ 10%). Lisäksi case-tutkimus osoitti parannuksen halkeilukäyttäytymisessä. Halkeamien määrä kasvoi, mutta niiden maksimileveys pieneni UHPFRC:n halkeilun jälkeisen vetolujuuden ansiosta.

Den genomsnittliga konditionen för broar i Finland har försämrats under det senaste decenniet och förväntas fortsätta försämras till följd av den snabba brobyggnationen mellan 1960-talet och 2000-talet. Idag repareras betongbroar med betong, vilket möjliggör att liknande skador återuppstår. Ultra-high-performance fiber-reinforced cementitious composite (UHPFRC) erbjuder avsevärt högre hållfasthet och beständighet än betong, vilket gör det till ett lovande alternativ för reparation och förstärkning av armerade betongbroar. Denna avhandling undersöker UHPFRC-beläggningars inverkan på bärförmågan och böjmomentkapaciteten hos brodäck av platt typ i armerad betong. Vidare analyseras nedböjning och sprickbildning med hänsyn till tidsberoende effekter och byggskeden. Studien inkluderar en parametrisk analys med hjälp av icke-linjära finita elementmetoden (FEM) och analytiska beräkningar, validerade genom en fallstudie. Resultaten visar att UHPFRC-beläggningar avsevärt kan förbättra den strukturella prestandan när de utsätts för drag (dvs. vid negativt moment). Vid tryckpåverkan (positivt moment) är effekten begränsad om inte tillräcklig dragarmering finns, vilket ofta saknas i äldre broar. Den parametriska studien visade en anmärkningsvärd ökning i böjmomentkapacitet med över 60% för sektioner med låg dragarmering i negativt moment, vid förstärkning med en 60 mm tjock UHPFRCbeläggning. Fallstudien, där armeringen var korrekt dimensionerad, visade en ökning i brottmomentkapacitet med 20% och en minskning i dragarmeringens töjning med över 25% vid förstärkning med en 75 mm UHPFRC-beläggning i områden med negativt böjmoment. Fallstudien visade även en försumbar ökning i nedböjning (≈ 10 %) trots hänsyn till byggskeden. Även sprickbildningen förbättrades, med minskad maximal sprickbredd trots ökat antal sprickor.

Description

Supervisor

Lin, Weiwei

Thesis advisor

Komonen, Juha

Keywords

UHPFRC, repair, strengthening, bridges, reinforced concrete, FEM, bending moment resistance, staged construction

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202508186274

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG