Structural behavior of fiber reinforced concrete bridges

Abstract

(English) The application of fiber-reinforced concrete (FRC) in bridge structures presents a significant advancement in structural performance, reinforcement optimization, and serviceability enhancement. This study examines the impact of FRC on bridge design, focusing on its ability to reduce reinforcement demands, improve crack control, and enable internal force redistribution. Despite these advantages, challenges related to fiber distribution, orientation, and potential brittle failure necessitate careful consideration in both design and construction. The integration of FRC in U-shaped light-train viaducts, as demonstrated in the Metrorrey Line 2 viaduct, highlights its potential to replace conventional reinforcement partially or entirely in sections with low reinforcement ratios. In particular, FRC enhances shear strength in bottom slabs and webs, leading to a reduction in transverse reinforcement requirements and simplifying reinforcement layouts. While FRC alone sustains ultimate limit state (ULS) loads in sections with low internal forces, in heavily loaded sections, its primary contribution lies in improving serviceability limit state (SLS) performance through better crack control and reduced reinforcement needs. Transversally posttensioned viaducts further amplify the benefits of FRC, as reduced internal force demands facilitate significant reinforcement reductions. However, despite theoretical possibilities for eliminating reinforcement, rebar bands remain necessary to ensure robustness, ease tendon placement, and enhance constructability. Following on the previous findings, the replacement of skin reinforcement in the webs by FRC is assessed in a road bridge. Several numerical models are prepared, from which it can be observed that such reinforcement can be eliminated. However, the elimination of the skin reinforcement produced a failure with a reduced deformation capacity. Depending on the structural case, allowing fibers to undergo strains beyond ultimate crack width can allow to attain redistribution and higher deformation capacities. Nonetheless, the risk of brittle failure in continuous elements with large cross-sections poses a challenge. Addressing these risks requires further research to experimentally validate redistribution mechanisms and establish calibrated design methodologies that account for fiber failure. Two experimental campaigns highlight the variability in fiber distribution and its implications for mechanical performance. Standard construction practices resulted in significant variations in fiber concentration, particularly in self-compacting concrete (SCC), where segregation was more pronounced. In addition, poor fiber alignment in precast elements led to substantial strength reductions, necessitating a revaluation of quasi-isotropic fiber orientation assumptions in design codes. These findings emphasize the importance of controlled casting methods to ensure stable fiber distributions and orientations, ensuring reliable material behavior in bridge applications. Overall, while FRC offers notable advantages in reducing reinforcement requirements, enhancing crack control, and enabling redistribution, its successful implementation in bridge structures depends on rigorous construction methodologies and refined design considerations.

(Català) L'aplicació del formigó reforçat amb fibres (FRF) en ponts representa un avenç significatiu en el seu rendiment estructural, en l'optimització de l'armat i en la millora de la funcionalitat. Aquesta investigació analitza l'impacte del FRF en el disseny de ponts, centrant-se en la seva capacitat per reduir les exigències d'armat, millorar el control de la fissuració i permetre la redistribució d'esforços interns. Malgrat aquests avantatges, les dificultats relacionades amb la distribució i orientació de les fibres, així com el risc potencial de trencaments fràgils, requereixen una consideració acurada tant en el disseny com en la construcció. La integració del FRF en viaductes en U per a trens lleugers, com s’ha demostrat en el viaducte de la Línia 2 de Metrorrey, posa de manifest el seu potencial per substituir parcialment o totalment l'armat convencional en seccions amb baixos ràtios d’armat. En particular, el FRF millora la resistència al tall en les lloses inferiors i en les ànimes, fet que permet reduir les necessitats de l'armat transversal i simplificar la disposició de les barres. Mentre que en seccions amb reduïts esforços interns, el FRF, per si sol, pot resistir les càrregues en l'estat límit últim (ELU), en seccions més sol·licitades la seva principal contribució rau en la millora del comportament en l'estat límit de servei (ELS), gràcies a un millor control de la fissuració i una reducció de la necessitat d’armat. Els viaductes posttesats transversalment amplifiquen encara més els beneficis del FRF, ja que la reducció dels esforços interns facilita disminucions significatives en la quantitat d'armat. No obstant això, malgrat la possibilitat teòrica d'eliminar el reforç, les bandes d'armat continuen sent necessàries per garantir la robustesa, facilitar la col·locació de tendons i millorar la constructibilitat. A partir d'aquests resultats, s'ha avaluat la substitució de l'armat de pell en les ànimes per FRF en un pont de carretera. S'han desenvolupat diversos models numèrics que han demostrat que aquest reforç es podia eliminar. No obstant això, la seva eliminació ha resultat en una fallada potencial amb una baixa capacitat de deformació. Depenent del cas estructural, permetre que les fibres es deformin més enllà de l'amplada de fissura última pot permetre assolir redistribucions i majors capacitats de deformació. No obstant això, el risc de trencament fràgil en elements continus amb grans seccions transversals planteja un desafiament. Per abordar aquests riscos, cal dur a terme més investigacions per validar experimentalment els mecanismes de redistribució i desenvolupar metodologies de disseny calibrades que tinguin en compte la fallada de les fibres. Addicionalment, dues campanyes experimentals van posar de manifest la variabilitat en la distribució de les fibres i les seves implicacions en el comportament mecànic. Sota pràctiques constructives estàndard es van observar variacions significatives en la concentració de fibres, especialment en el formigó autocompactant (FAC), on la segregació va ser més pronunciada. A més, la mala orientació de les fibres en els elements prefabricats va provocar reduccions substancials en la resistència, fet que fa necessari reconsiderar les suposicions d'orientació quasi-isòtropa de les fibres en les normatives de disseny. Aquests resultats subratllen la importància de controlar els mètodes de formigonat per garantir distribucions i orientacions de fibra estables i, així, un comportament fiable del material en aplicacions de ponts. En general, encara que el FRF ofereix avantatges destacables en la reducció de les necessitats d'armat, la millora del control de la fissuració i la facilitació de redistribucions, la seva implementació exitosa en estructures de ponts depèn de metodologies constructives rigoroses i de consideracions de disseny refinades.

(Español) La aplicación del hormigón reforzado con fibras (HRF) en puentes representa un avance significativo en el rendimiento estructural de este, en la optimización del armado, y en la mejora de la funcionalidad. Esta investigación analiza el impacto del HRF en el diseño de puentes, centrándose en su capacidad para reducir las exigencias de armado, mejorar el control de fisuración y permitir la redistribución de esfuerzos internos. A pesar de estas ventajas, los desafíos relacionados con la distribución y orientación de las fibras, así como el riesgo potencial de roturas frágiles, requieren una consideración cuidadosa tanto en el diseño como en la construcción. La integración del HRF en viaductos en U para trenes ligeros, como se ha demostrado en el viaducto de la Línea 2 de Metrorrey, pone de manifiesto su potencial para sustituir parcial o totalmente el refuerzo convencional en secciones con bajos ratios de armado. En particular, el HRF mejora la resistencia al cortante en las losas inferiores y en las almas, lo que permite reducir las necesidades de la armadura transversal y simplificar la disposición de las barras. Mientras que en secciones con reducidos esfuerzos internos el HRF, por sí solo, puede resistir las cargas de estado límite último (ELU), en secciones más solicitadas su principal contribución radica en la mejora del comportamiento en el estado límite de servicio (ELS), gracias a un mejor control de fisuración y una reducción en la necesidad de refuerzo. Los viaductos postensados transversalmente amplifican aún más los beneficios del HRF, ya que la reducción de los esfuerzos internos facilita disminuciones significativas en la cantidad de armadura. No obstante, a pesar de la posibilidad teórica de eliminar el refuerzo, las bandas de armadura siguen siendo necesarias para garantizar la robustez, facilitar la colocación de tendones y mejorar la constructibilidad. A partir de estos hallazgos, se ha evaluado la sustitución de la armadura de piel en las almas por HRF en un puente de carretera. Se han desarrollado varios modelos numéricos que han mostrado que dicho refuerzo podía eliminarse. Sin embargo, su eliminación ha resultado en un potencial fallo con una baja capacidad de deformación. Dependiendo del caso estructural, permitir que las fibras se deformen más allá de la anchura de fisura última puede permitir alcanzar redistribuciones y mayores capacidades de deformación. No obstante, el riesgo de la rotura frágil en elementos continuos con grandes secciones transversales plantea un desafío. Para abordar estos riesgos, es necesario llevar a cabo más investigaciones con el fin de validar experimentalmente los mecanismos de redistribución y desarrollar metodologías de diseño calibradas que tengan en cuenta el fallo de las fibras. Adicionalmente, dos campañas experimentales pusieron de manifiesto la variabilidad en la distribución de las fibras y sus implicaciones en el comportamiento mecánico. Bajo prácticas constructivas tipo se observaron variaciones significativas en la concentración de fibras, especialmente en el hormigón autocompactante (HAC), donde la segregación fue más pronunciada. Además, la mala orientación de las fibras en los elementos prefabricados provocó reducciones sustanciales en la resistencia, lo que hace necesario reconsiderar las suposiciones de orientación casi isótropas de las fibras en las normativas de diseño. Estos resultados enfatizan la importancia de controlar los métodos de hormigonado para garantizar distribuciones y orientaciones de fibra estables y, con ello, un comportamiento fiable del material en aplicaciones de puentes. En general, aunque el HRF ofrece ventajas destacables en la reducción de las necesidades de refuerzo, la mejora del control de fisuración y la habilitación de redistribuciones, su implementación exitosa en estructuras de puentes depende de metodologías constructivas rigurosas y de consideraciones de diseño refinadas.