Mechanical anchorage of prestressed CFRP tendons : theory and tests

Fibre Reinforced Polymers (FRPs) are slowly becoming important materials to consider also for a structural engineer. They are light-weight, insensitive to corrosion and have highly modifiable mechanical properties. Strengths five times higher than that of ordinary reinforcing steel are common and that combined with the possibility to vary the modulus of elasticity makes them suitable to use in combination with concrete. Carbon fibre based polymers (CFRPs) especially serve as an excellent substitute for steel in the rehabilitation of structures. A case study on that subject is presented in this thesis while the focus lies on the use of CFRP as a material for use in prestressing tendons, and to be more precise, on the anchorage of prestressed CFRP tendons. FRPs orthotropic properties highly influence their behaviour in different directions. The best properties are reached through tension in the fibre direction, and as such CFRP is as good for prestressing tendons as any prestressing steel. It is also not sensitive to corrosion and easy to work with due to its light weight. Mechanical properties in the transverse direction are however not that advantageous and early attempts to anchor CFRP bars by traditional mechanical prestressing anchorages have consistently failed. A thorough program for the development of a successful anchorage has therefore been undertaken. In a first step a literature review was conducted to investigate CFRPs possibilities to replace steel in prestressing applications, internally and externally, as well as traditional anchorage techniques for steel tendons. From the literature study it was concluded that CFRP may very well serve as tendons but some doubts also arose concerning the environmental effect on the CFRPs long term behaviour and the materials ability to work under bent conditions in multispan applications. The traditional anchorages will however not work properly, all of them use mechanical grip to keep the steel stressed. This is possible through the steels capacity to yield but not suitable to anchor the brittle CFRP. A state-of-the-art survey on attempts made globally during the last 15 years to come up with a suitable frictional anchorage has also been performed. It can be seen that several ideas are discussed, often in one or two publications. One Canadian research team, Al-Mayah et al. (2001-2008), has taken the development further and focused on variations of the traditional wedge anchorage. Based on the knowledge gained from the literature it was decided to further concentrate on a conical anchorage with a barrel of steel and three smooth wedges in aluminium. Simple analytical approaches to the conical wedge anchorage with smooth interior surfaces prove the importance of the angle in the wedge-barrel interface. Also frictional behaviour in the rod-wedge and wedge-barrel interfaces proves to be important factors. Numerical studies of these and other geometrical and mechanical properties give further input into the development of a pilot anchorage to be tested in the laboratory. The optimum angle of the wedge towards the barrel seems to be between 2-3°. The thickness of the wedge should be kept as small as possible and it is favourable with high strength steel in the barrel. A small displacement of the wedges towards the unloaded end of the tendon in the design of the anchorage does also reduce the overall slip of the rod during tension. After overcoming initial problems not discovered in the analytical or numerical models the developed anchorage performed well during laboratory tests. In short term tests performed on an 8 mm thick circular rod 100 % of the rods ultimate capacity was reached. During the tests measurements of displacements and strains were performed. Fibre Optical Sensors (FOS - Bragg gratings) were for the first time included in the interior of the anchorage to give a complete picture of the load phase. These measurements were compared to a refined finite element model and show reasonable agreement. The largest source of error is assumed to be the complicated frictional behaviour in the material interfaces and the transverse material properties of the CFRP. Lastly a case study on the strengthening of a 50 year old trough bridge in Frövi is included. The bridge was successfully strengthened for bending in the transverse direction with 23 Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR) bars in the lower part of the slab while 11 holes are drilled underneath the upper steel reinforcement to facilitate CFRP tubes with an outer diameter of 32 mm and a thickness of 4 mm. The lack of bending capacity was discovered by a consultant in 2005 and calculations with a new approach in this thesis show that the strengthening was necessary although on a minor scale. New calculations of the capacity show that the bridge's capacity after strengthening is well above the design load and measurements on site secure that the CFRP is utilized correctly as a load carrier.Fiberkompositer (FRP) håller sakta men säkert på att etablera sig som ett viktigt material också för byggbranschen. De är lätta, okänsliga för korrosion och dess egenskaper kan i stor utsträckning anpassas efter ändamålet. Möjligheten att variera elasticitetsmodulen tillsammans med hållfastheter som inte sällan är upp till fem gånger högre än för normalt armeringsstål gör dem utmärkta att använda i kombination med betong. Speciellt kolfiberkompositer (CFRP) kan i många fall med fördelaktigt resultat ersätta stålet vid rehabilitering av konstruktioner. I den här avhandlingen presenteras en fallstudie på det området medan fokus ligger på möjligheterna att använda CFRP som förspänningsmaterial samt också på en lösning av förankringsproblematiken vid förspänning med CFRP.FRP är ortotropt vilket i stor utsträckning påverkar dess beteende i olika riktningar. Bäst egenskaper fås om materialet sträcks i fiberriktningen och i den riktningen har CFRP minst lika bra egenskaper som förspänningsstål. Utöver det är det också okänsligt för korrosion och mycket lätt. De mekaniska egenskaperna i transversell riktning är dock inte lika fördelaktiga och tidiga försök att förankra CFRP stänger med traditionella förspänningslås har varit misslyckade. Ett omfattande projekt för att utforma ett användbart och pålitligt lås har därför genomförts.I ett första steg utfördes en litteraturstudie avseende CFRPs möjligheter att ersätta stål vid invändig och utvändig förspänning samt också med avseende på traditionella förankringar för spännarmering. Där framkom att CFRP mycket väl kan fungera som spännarmering men några frågetecken uppstod angående miljöns påverkan på dess långtidsegenskaper och dess böjförmåga vid förspänning över flera spann. De traditionella låsen kommer dock inte att fungera på CFRP, samtliga traditionella lås bygger på att mer än bara friktionen används för att hålla stålet sträckt. Det är möjligt tack vare stålets plastiska egenskaper men fungerar inte i kombination med det spröda beteendet hos CFRP. Dessutom gjordes en sammanställning av de senaste 15 årens forskningsresultat med avseende på friktionsförankringar av FRP. Från den kan man utläsa att flera idéer har diskuterats i en eller två publikationer men inte mer. Ett kanadensiskt forskarlag, Al-Mayah et al. (2001-2008), har dock tagit utvecklingen längre och koncentrerat sig på varianter av det traditionella killåset. Baserat på det som litteraturstudien gett tas ett beslut om att gå vidare med ett koniskt lås med en hylsa av stål och tre kilar i aluminium. En statisk 2D analys och en matematisk axisymmetrisk modell visar på betydelsen av vinkeln i gränsytan mellan kilen och hylsan. Likaså visar det sig att friktionen i ytorna mellan CFRP stav och kil samt kil och hylsa är viktiga parametrar som styr låsets beteende.Inför laboratorieförsöken krävdes ytterligare kunskap om vilka parametrar som påverkar beteendet mest. Till den parameterstudien användes numeriska modeller. Optimal vinkel hos gränsytan mellan kil och hylsa ska ligga mellan 2 och 3°. Tjockleken på kilen ska vara så liten som möjligt och ett starkt stål minskar rörelserna i låset. En design med en liten utdragning av kilarna i det obelastade stadiet ger också det mindre total longitudinell rörelse i låset. Efter ett par mindre lyckade laboratorieförsök då flera mindre problem, som inte kunde förutses med de analytiska eller numeriska modellerna, rättades till så uppnåddes till slut mycket lyckade resultat. I de korttidsförsök som genomfördes på en 8 mm tjock cirkulär stav uppnåddes 100 % av stavens hållfasthet. För utvärdering av testen så mäts både förskjutningar och töjningar. Fiber Optiska Sensorer (FOS) används för första gången inuti låset för att ge en komplett bild av hur låset beter sig under belastning. Mätningarna jämförs med en uppdaterad variant av den finita element modellen som tar hänsyn till ankarets slutliga utformning. Resultaten stämmer delvis överens men osäkerheten kring de komplicerade friktionsförhållandena och kolfiberkompositens transversella egenskaper gör modelleringen och avläsningen av den svår. Sist presenteras en fallstudie på förstärkningen av en 50 år gammal trågbro i Frövi. Bron förstärks med 23 stycken Near Surface Mounted Reinforcement (NSMR) stänger i underkant av bottenplattan och 11 stycken rör i överkant av plattan. Rören har ytterdiametern 32 mm och en tjocklek av 4 mm, de installeras i hål som borrats genom plattan under överkantsarmeringen. Förstärkningen var mycket lyckad. Kapacitetsbristen hos bron upptäcktes av en konsultfirma under 2005 och nya beräkningar i den här avhandlingen med en ny beräkningsmodell visar att förstärkningen var nödvändig, om än i en något mindre omfattning. Nya beräkningar av den förstärkta kapaciteten visar att bron nu har en kapacitet som med god marginal tar hand om de pålagda lasterna. Långtidsmätningar på plats visar också att kolfiberkompositen är ordentligt utnyttjad.Godkänd; 2008; 20081010 (ysko