Optimized bridge design of medium span bridges in ultra high strength fiber reinforced concret

Abstract

Through this thesis, a comparison between traditional concrete and new material called ultra high fiber reinforced concrete have been done in order to know which material is more suitable for the superstructure of a typical Dutch bridge of 30 meter of span. This report is structured in four main chapters: state of the art, technical study, economic study and sustainability study.

Over the first part of the report, an initial approximation to this UHPFRC has been included. For instance, several current structures such as bridges or buildings are treated to acknowledge the reader about the variability of applications of this material.

Throughout the state of the art and design values chapters when the innovative and developed properties such as the high cylinder strength obtained through a very low water-cement ratio, improved microstructure and high packing density of this new concrete are explained. Among the advantages of this concrete, the most important are the improved ductility of the concrete and the possibility to save bending and shear stress reinforcement due to the steel fibers that are incorporated in the concrete matrix. Another advantage due the improved concrete mixture is the high resistance against corrosion which leads to an increased durability of the concrete.

In the second part of the report is where all the superstructure bridge designs and optimization procedures are specified. From all the available options, the simple support slab on a UHPFRC T-inverted beam and I-beam are studied. Since making a detailed design is not the target of the thesis, only the serveciality limit stages and the ultimate limit stages verifications for bending foreces, shear stress verification and vertical deflection of the structure have been worked out. But, these simple three verifications are enough to realize the huge gap in technical behavior between both materials. For instance, much less concrete, active and passive reinforcement are needed to fulfill the serveciality requirements of the structure.

After the technical design stage, the main criterion to choose the best optimized option is the cost efficiency. Through this chapter several direct costs such as the concrete, reinforcement and soil costs have been treated in order to find out the cheapest design. The results shows that the superstructure itself is more expensive with UHPFRC concrete, but with the soil costs it comes up that the UHPFRC design is much cheaper than with the traditional concrete. As a conclusion, it can be said that in a near future, this material can be really interesting for ultra high performance structures.

L’objectiu de la tesina és comparar quin formigó, si un d’alta resistència amb fibres o un de convencional, encaixa millor pel disseny de la superestructura d’un pont de 30 metres de llum típic dels Països Baixos. La tesina s’estructura en les següents quatre parts: l’estat de l’art, l’estudi tècnic, l’estudi econòmic i l’estudi de la sostenibilitat. La primera part inclou una presa de contacte amb el formigó d’alta resistència amb fibres, a través de realitzacions d’estructures com ara ponts o edificis, per transmetre al lector el gran ventall d’aplicacions que aquest formigó pot arribar a tenir. Durant els capítols de l’estat de l’art i dels valors de disseny, totes les propietats innovadores com per exemple l’alta resistència cilíndrica obtinguda mitjançant percentatges d’aigua-cement baixos, la millora en la microestructura i l’alta densitat de compressió hi son incloses. Entre els avantatges d’aquest formigó, les més importants són la ductilitat i la possibilitat d’estalviar armadura, longitudinal i transversal, gràcies a les fibres metàl·liques incloses en la matriu del formigó. També ho és la millor resistència a la corrosió aconseguida mitjançant una millor mescla dels materials, la qual es tradueix directament amb una millor durabilitat del formigó. Al llarg de la segona part de la tesina, s’especifiquen tots els dissenys de la superestructura i el procediment seguit per l’optimització de les seccions. De totes les possibles opcions, s’ha estudiat el casos d’una llosa sobre un biga en T invertida i sobre una biga en I. Donat que no s’ha fet un disseny en detall de l’estructura, només s’ha verificat els estats límits de servei i els estat límits últims per sol·licitacions normals, l’estat límit a tallant i el desplaçament vertical de l’estructura: amb aquestes tres verificacions és suficient per adonar-se de la diferència en els comportaments estructurals dels materials; per exemple, es necessita molta menys quantitat de formigó i d’armat per assolir els requeriment de servei de l’estructura. En l’estudi econòmic de l’estructura, s’han considerat només els ítems corresponents als costos directes com ara el cost del formigó, de l’armat o de terra. L’aproximació feta del pressupost dóna, sense considerar primerament els costos d’anivellament de terres, que l’estructura feta amb formigó d’alta resistència és més cara; però alhora d’afegir-hi el cost de les terres, el preu total és bastant menor que amb un formigó convencional. Es conclou que aquest material pot ser molt interessant per estructures d’altes prestacions en un futur a curt termini.