Valutazione del GFRP

Un'alternativa non metallica alle armature in acciaio che rinforzano gli impalcati dei ponti in cemento ha il potenziale per essere più duratura e più economica nel mantenere i ponti mantenuti nel clima rigido del Minnesota. Gli studi iniziali mostrano che le prestazioni degli impalcati da ponte costruiti con polimero rinforzato con fibra di vetro (GFRP) sono paragonabili, se non migliori, a quelle degli impalcati costruiti convenzionalmente.

La corrosione delle armature in acciaio incorporate nel calcestruzzo è la causa principale del degrado dell'impalcato dei ponti. I danni si verificano quando l'umidità e i cloruri del sale stradale penetrano nelle sovrastrutture dei ponti e corrodono l'acciaio. I cicli di gelo e disgelo durante i rigidi inverni del Minnesota possono amplificarne gli effetti, portando alla fessurazione del calcestruzzo, che espone ulteriormente il rinforzo incorporato.

L'armatura in GFRP è un'alternativa non metallica all'armatura in acciaio convenzionale che non si ossida né arrugginisce, rendendola altamente resistente alla corrosione. Il GFRP è stato utilizzato come rinforzo dell'impalcato dei ponti in alcune parti del Canada, ma ha avuto solo un uso limitato negli Stati Uniti. Una ricerca precedente sul primo e (allora) unico ponte del Minnesota che utilizzava questo rinforzo alternativo ha rilevato che il GFRP ha resistito alla corrosione in modo significativamente migliore rispetto alle tradizionali armature in acciaio, e non c'erano problemi strutturali.

"Si è trattato di un'eccellente opportunità per confrontare direttamente impalcati adiacenti rinforzati con GFRP e rinforzi con rivestimento epossidico. Le sollecitazioni, le deformazioni e le deflessioni di ciascun impalcato del ponte sono molto simili e le prestazioni iniziali sono state eccellenti", ha affermato Paul Rowekamp, ​​standard dei ponti e ingegnere ricercatore, MnDOT Bridge Office.

Nel 2018, MnDOT ha costruito una coppia di ponti affiancati, uno utilizzando il rinforzo del ponte in GFRP e l'altro utilizzando un rinforzo convenzionale in acciaio con rivestimento epossidico, sulla Trunk Highway 169. Questo progetto di costruzione ha rappresentato un'opportunità unica per confrontare le prestazioni dei due tipi di rinforzo poiché i ponti erano esposti agli stessi fattori di stress ambientale e sperimentavano condizioni di traffico molto simili.

L'obiettivo di questo progetto era confrontare le prestazioni strutturali e la durabilità di due impalcati di ponti in servizio e valutare il potenziale del GFRP come alternativa al tradizionale rinforzo in acciaio.

Uno sforzo articolato iniziato al momento della costruzione del ponte ha consentito una valutazione approfondita delle prestazioni del GFRP rispetto al rinforzo delle armature in acciaio negli impalcati del ponte. Innanzitutto, guidati dalla progettazione del ponte, i ricercatori hanno installato sensori all’interno degli impalcati prima che venisse gettato il calcestruzzo. Ciò ha contribuito a misurare gli sviluppi di deformazione e temperatura negli impalcati del ponte nel tempo.

Il monitoraggio durato quasi quattro anni ha incluso la raccolta dei dati di temperatura e deformazione dai sensori, la valutazione delle sollecitazioni associate e il confronto delle prestazioni con le linee guida di progettazione. Le misurazioni hanno catturato sia le risposte generali che quelle estreme del ponte.

Ulteriori strumenti collegati alle travi e agli impalcati del ponte hanno misurato le sollecitazioni e le deformazioni durante le prove di carico dinamico immediatamente dopo la costruzione, dopo un anno e dopo due anni. Le prove di carico variabile hanno replicato gli effetti del carico del traffico e sono state utilizzate per comprendere come i carichi variabili sono distribuiti dai punti di applicazione all'impalcato del ponte e alle singole travi.

Le ispezioni visive dell'impalcato del ponte ogni sei mesi durante il progetto hanno consentito agli investigatori di valutare le condizioni di entrambe le sovrastrutture del ponte, documentare eventuali crepe e spiegare le potenziali cause sulla base dei dati dei sensori raccolti.

In laboratorio, i campioni GFRP forniti da MnDOT sono stati sottoposti a carico di tensione fino alla rottura, consentendo ai ricercatori di sviluppare curve sforzo-deformazione per confermare le proprietà meccaniche del materiale. Infine, le analisi dei costi del ciclo di vita dei due impalcati del ponte, compresi i costi di costruzione, materiali, manodopera, funzionamento e manutenzione a lungo termine, hanno valutato il potenziale economico delle armature in GFRP rispetto all’acciaio tradizionale.

I confronti delle prestazioni a breve e lungo termine tra gli impalcati del ponte non hanno rivelato differenze significative o comportamenti insoliti in nessuno dei due.