Rapid Strengthening of Short-Span Reinforced Concrete T-Beams with Unbonded Carbon Fibre Reinforced Polymer Straps

Abstract

The ability to rapidly strengthen reinforced concrete structures is critical for military and emergency applications, where conventional strengthening techniques may be impractical due to time constraints. Military operations often rely on existing infrastructure, including short-span bridges in remote or less-traveled routes, which may be inadequate for supporting the heavy loads of military vehicles. Strengthening techniques for military engineers must allow for rapid implementation, use easily transportable materials, require minimal specialized tools and heavy equipment, and offer flexibility across various bridge conditions and configurations This research evaluates the effectiveness of unbonded carbon fibre reinforced polymer (CFRP) straps with mechanical anchors as a rapid strengthening technique for simply supported short-span reinforced concrete bridges. An experimental program was conducted using six 6 m long T-beams that included two control specimens and four strengthened beams with single or double layers of CFRP straps and variations of a custom-designed mechanical anchor. The addition of tensioners during the application contributed to a more uniform strain distribution across the CFRP straps. The results demonstrated that unbonded CFRP systems can enhance load-carrying capacity, with strength increases of up to 22% with a double layer configuration. Additionally, the strengthening system improved serviceability by reducing deflections at high loads. A numerical model was developed to predict the load-deflection response of the strengthened beams. The model appropriately represented overall trends and provided valuable insights into the structural behaviour despite some minor discrepancies that were observed when comparing the experimental results to the model. The study confirms that unbonded CFRP using proper mechanical anchorage system is a viable technique for the rapid strengthening of short-span concrete T-beams, offering a practical alternative to bonded CFRP systems in time-sensitive applications. However, while the technique was proven effective, further research is recommended to optimize the anchor designs, integrate prestressing when appropriate, refine the numerical model to better capture nonlinear behaviour, and assess long-term performance under cyclic loading conditions.

La capacité à rapidement renforcer les structures en béton armé est essentielle pour les applications militaires et d'urgence, où les techniques de renforcement conventionnelles peuvent s'avérer impraticables en raison de contraintes de temps. Les opérations militaires dépendent fréquemment des infrastructures existantes, notamment des ponts de courte portée situés sur des routes isolées ou peu fréquentées, qui peuvent être inadéquats pour supporter les charges lourdes des véhicules militaires. Les techniques de renforcement utilisées par les ingénieurs militaires doivent permettre une mise en œuvre rapide, utiliser des matériaux facilement transportables, nécessiter un minimum d'outils spécialisés et d'équipement lourd, et offrir une flexibilité d’adaptation selon l’état du pont. Cette recherche évalue l'efficacité des bandes de polymère renforcé de fibres de carbone laminées (PRFC) non collées avec ancrages mécaniques comme technique de renforcement rapide des ponts en béton armé de courte portée simplement appuyés. Un programme expérimental a été réalisé avec six poutres de 6 mètres de long, comprenant deux spécimens de contrôles et quatre poutres renforcées avec une ou deux couches de bandes en PRFC et des variations d'un ancrage mécanique conçu sur mesure. L'ajout de tendeurs a contribué à une répartition plus uniforme des contraintes de déformations dans les bandes en PRFC. Les résultats ont démontré que les systèmes en PRFC non collées peuvent améliorer la capacité portante d’une poutre, avec une augmentation allant jusqu'à 22% avec la configuration à double couche. De plus, le système de renforcement a amélioré le comportement en service en réduisant la déflexion sous des charges plus élevées. Un modèle numérique a été développé pour prédire la réponse charge-déflexion des poutres renforcées. Ce modèle a représenté de manière appropriée les tendances générales de la poutre en T et a fourni des informations utiles sur son comportement structurel. Cependant, certaines divergences ont été observées lors de la comparaison entre les résultats expérimentaux et le modèle. L'étude confirme que l’utilisation des bandes de PRFC non collées avec un ancrage mécanique approprié est une technique viable pour le renforcement rapide des poutres en T béton armé de courte portée simplement appuyé, offrant une alternative pratique aux systèmes PRFC collés dans les applications sensibles au temps. Bien que cette technique ait prouvé son efficacité, des recherches supplémentaires sont recommandées pour optimiser la conception des ancrages, intégrer la précontrainte lorsque cela est approprié, affiner le modèle numérique afin de mieux capturer le comportement non linéaire et évaluer les performances à long terme dans des conditions de chargement cyclique.