This thesis compares the consumption of primary superstructure material in a conventional single span CPCI system with those of double-T alternatives. The CPCI system is currently the preferred bridge type for short and medium spans in Canada, despite its relatively inefficient use of materials due to imperfect live load sharing among multiple parallel girders. The double-T alternatives utilize slender double-T cross-sections, fully precast segments, and post-tensioning in both longitudinal and transverse direction. The economy of the CPCI and double-T systems is compared within the framework of four sample designs. The results indicate that the double-T systems are in general more efficient than the CPCI system and have the potential to achieve better economy.

An alternative structural system for short span bridges is presented: a precast segmental double-T with external, unbonded post-tensioning tendons. Single-span designs from 20 to 45 m long show that the system can be implemented over a wide range of spans and that the system’s sensitivity to post-tensioning losses reported in previous literature can be reduced by aligning the prestressing force more concentrically. Designs for multi-span bridges using this system are presented using simply supported spans connected by thin flexible linking slabs made of ultra high-performance fibre-reinforced concrete and using sections made fully continuous over intermediate supports. A simplified method of geometry control is presented to facilitate the proper alignment of precast segments without the use of match casting. The precast segmental double-T bridge is compared to sixteen existing slab on girder bridges and found to be a competitive alternative in terms of material use, cost, construction schedule, and aesthetic merit.

This thesis compares the consumption of primary superstructure material in a conventional single span CPCI system with those of double-T alternatives. The CPCI system is currently the preferred bridge type for short and medium spans in Canada, despite its relatively inefficient use of materials due to imperfect live load sharing among multiple parallel girders. The double-T alternatives utilize slender double-T cross-sections, fully precast segments, and post-tensioning in both longitudinal and transverse direction. The economy of the CPCI and double-T systems is compared within the framework of four sample designs. The results indicate that the double-T systems are in general more efficient than the CPCI system and have the potential to achieve better economy.

An alternative structural system for short span bridges is presented: a precast segmental double-T with external, unbonded post-tensioning tendons. Single-span designs from 20 to 45 m long show that the system can be implemented over a wide range of spans and that the system’s sensitivity to post-tensioning losses reported in previous literature can be reduced by aligning the prestressing force more concentrically. Designs for multi-span bridges using this system are presented using simply supported spans connected by thin flexible linking slabs made of ultra high-performance fibre-reinforced concrete and using sections made fully continuous over intermediate supports. A simplified method of geometry control is presented to facilitate the proper alignment of precast segments without the use of match casting. The precast segmental double-T bridge is compared to sixteen existing slab on girder bridges and found to be a competitive alternative in terms of material use, cost, construction schedule, and aesthetic merit.

A protensão não-aderente caracteriza-se pela liberdade de deslocamento relativo entre o cabo de protensão e a fibra de concreto adjacente. A tensão na armadura de protensão no estado limite último é de difícil obtenção, não sendo dependente apenas das deformações em uma determinada seção transversal, mas sendo função de todas as deformações que ocorrem no concreto adjacente ao perfil de protensão. Para que seja obtida a tensão última, é necessária a integração das curvaturas ao longo de todo o elemento a fim de se obter o alongamento no cabo de protensão, o que se consegue com precisão apenas recorrendo-se a ferramentas numéricas, devido às não-linearidades físicas envolvidas no problema. O método construtivo com protensão não aderente vem sendo cada vez mais utilizado na execução de edifícios no Brasil. O principal sistema de protensão não aderente é o que utiliza a mono-cordoalha engraxada e plastificada, que alia os benefícios da protensão e a simplicidade necessária às obras moldadas no local. Apesar disso, não há no Brasil um volume de pesquisa sobre o comportamento dos elementos com protensão não aderente, compatível com a demanda da indústria da construção civil. Visando contribuir para o desenvolvimento das formulações nacionais de projeto dos elementos com protensão não aderente, o presente trabalho é a continuação de uma pesquisa que vem sendo realizada no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC/UFRGS, a qual foi iniciada com a implementação de um modelo numérico capaz de analisar elementos com protensão não aderente e seguida de uma análise paramétrica sobre as principais variáveis que influenciam na tensão última na armadura de protensão. O trabalho que ora se apresenta traçou uma correlação entre os resultados não-aderentes obtidos da análise paramétrica com resultados aderentes, os quais são de mais fácil obtenção, pois se baseiam na compatibilidade de deformações na seção transversal. Foram feitas análises numéricas e analíticas com aderência dos mesmos protótipos estudados anteriormente sem aderência. Os resultados obtidos mostraram incrementos de tensão maiores no caso aderente, bem como maiores capacidades portantes. Estudou-se também uma metodologia capaz de computar a tensão última na armadura não aderente com análises do tipo compatibilidade de deformações, com a utilização de um coeficiente Lo/L redutor de aderência. Os resultados iniciais mostraram-se bons para carregamento nos terços, mas insatisfatórios para carregamentos distribuído e concentrado. Através de um ajuste no coeficiente Lo/L baseando-se nos dados da pesquisa precedente, bons resultados foram obtidos para todos os tipos de carregamento. A metodologia apresentada foi validada pela comparação com diferentes protótipos analisados numericamente, bem como protótipos ensaiados experimentalmente por diversos autores. / Unbonded post-tensioning is characterized for allowing relative displacement between the tendon and the concrete adjacent fiber. The ultimate stress in the unbonded tendon is difficult to be obtained, because it is not only dependent on the deformed shape of a cross section, but on the whole deformations occurring in the tendon profile adjacent concrete. To evaluate this ultimate stress, it is necessary to integrate all curvatures along the whole element, in order to obtain the total tendon elongation. This can only be precisely obtained using numerical tools, due to the non-linear factors involved in the problem. Unbonded post-tensioning is becoming ever more used in Brazilian building construction. The main unbonded post-tensioning system uses the unbonded mono-strand, that joins the benefits of prestressing with the necessary building simplicity. Nevertheless, there is no research effort in Brazil compatible with the construction industry demand. This study seeks to contribute to the development of the national formulations design of unbonded posttensioning elements. This work is a continuation of a research being undertaken at PPGEC/UFRGS. A numerical model able to determine the behavior of unbonded posttensioned elements was first developed, followed by a parametric study about the main parameters influencing the ultimate stress in unbonded tendons. The present work traced a correlation between the results for unbonded elements, obtained from the parametric analysis, with results for bonded elements. The latter are easily obtained, because they are based on the compatibility of strains in the cross section. Numerical and analytical calculations were performed for the same prototypes studied in the previous research, but now considering the existence of bond in the tendons. The results showed greater increments in stress for the bonded cases and also greater ultimate resistance. It was also devised a calculation method able to determine the ultimate stress in the unbonded tendon using an analysis similar to strain compatibility, but with a reduction bond coefficient Lo/L. The initial results obtained for a third-point loading showed a good agreement, but that not happened for the results of distributed and concentrated loads. However, by an adjustment of the Lo/L coefficient, based on the data of the previous research, good agreement was observed for all loading types. The presented methodology was validated by comparing results with other prototypes analyzed by the numerical model, and also results of experimental studies carried out by several authors.

Estruturas com protensão não aderente estão sendo utilizadas como uma alternativa na tecnologia de projeto e execução de edifícios. Este trabalho apresenta a análise numérica de estruturas com protensão não aderente. Para este fim, foi desenvolvido um programa computacional onde implementou-se um modelo não linear físico e geométrico através do método dos elementos finitos. O comportamento dos materiais é descrito por um modelo elasto-viscoplástico. No concreto, são utilizados elementos finitos isoparamétricos tridimensionais. Para representar o seu comportamento após a fissuração é utilizado o modelo de fissuras distribuídas. As armaduras são incluídas através do modelo incorporado, utilizando-se de elementos unidimensionais isoparamétricos.As armaduras passivas são consideradas como uma linha de material mais rígido no interior do elemento de concreto, existindo uma aderência perfeita entre o concreto e o aço. Nas armaduras não aderentes, é considerada a compatibilidade de deslocamentos entre os materiais apenas nas ancoragens, sendo que a armadura pode movimentar-se livremente no interior do concreto. O modelo não linear geométrico, utilizado para o concreto e para a armadura, foi desenvolvido com base na formulação Lagrangeana Total, considerando grandes deslocamentos e pequenas deformações. Para verificar a precisão do modelo computacional, compararam-se resultados numéricos com valores experimentais disponíveis na literatura. / Unbonded prestressed concrete structures have been increasingly used as an alternative in the technology of design and construction of buildings. This work presents a numerical analysis of unbonded prestressed concrete structures. To accomplish this, a computational program has been developed in which a physical and geometrical nonlinear model was implemented through the finite element method. Materials behavior has been described through an elasto-viscoplastic model. In the concrete, a threedimensional isoparametric finite element has been used. To represent its behavior after cracking, the smeared cracking model has been used to. The prestressing tendons and reinforcement have been included according with the embedded model approach by the use of one-dimensional isoparametric elements. The reinforcement has been considered in the model as a line of a stiffer material inside the concrete element, with a perfect bonding between concrete and steel. As for the unbonded tendons, displacement compatibility between materials has been considered only at the anchorages, but they are allowed to move freely along their length inside the concrete. The geometric nonlinear model that has been used for the concrete, reinforcement and tendons has been developed according to the Total Lagrangean formulation, considering large displacements and small strains. In order to evaluate the accuracy of the computational model, numerical results have been compared with experimental values available in the literature.

A protensão não-aderente caracteriza-se pela liberdade de deslocamento relativo entre o cabo de protensão e a fibra de concreto adjacente. A tensão na armadura de protensão no estado limite último é de difícil obtenção, não sendo dependente apenas das deformações em uma determinada seção transversal, mas sendo função de todas as deformações que ocorrem no concreto adjacente ao perfil de protensão. Para que seja obtida a tensão última, é necessária a integração das curvaturas ao longo de todo o elemento a fim de se obter o alongamento no cabo de protensão, o que se consegue com precisão apenas recorrendo-se a ferramentas numéricas, devido às não-linearidades físicas envolvidas no problema. O método construtivo com protensão não aderente vem sendo cada vez mais utilizado na execução de edifícios no Brasil. O principal sistema de protensão não aderente é o que utiliza a mono-cordoalha engraxada e plastificada, que alia os benefícios da protensão e a simplicidade necessária às obras moldadas no local. Apesar disso, não há no Brasil um volume de pesquisa sobre o comportamento dos elementos com protensão não aderente, compatível com a demanda da indústria da construção civil. Visando contribuir para o desenvolvimento das formulações nacionais de projeto dos elementos com protensão não aderente, o presente trabalho é a continuação de uma pesquisa que vem sendo realizada no Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil – PPGEC/UFRGS, a qual foi iniciada com a implementação de um modelo numérico capaz de analisar elementos com protensão não aderente e seguida de uma análise paramétrica sobre as principais variáveis que influenciam na tensão última na armadura de protensão. O trabalho que ora se apresenta traçou uma correlação entre os resultados não-aderentes obtidos da análise paramétrica com resultados aderentes, os quais são de mais fácil obtenção, pois se baseiam na compatibilidade de deformações na seção transversal. Foram feitas análises numéricas e analíticas com aderência dos mesmos protótipos estudados anteriormente sem aderência. Os resultados obtidos mostraram incrementos de tensão maiores no caso aderente, bem como maiores capacidades portantes. Estudou-se também uma metodologia capaz de computar a tensão última na armadura não aderente com análises do tipo compatibilidade de deformações, com a utilização de um coeficiente Lo/L redutor de aderência. Os resultados iniciais mostraram-se bons para carregamento nos terços, mas insatisfatórios para carregamentos distribuído e concentrado. Através de um ajuste no coeficiente Lo/L baseando-se nos dados da pesquisa precedente, bons resultados foram obtidos para todos os tipos de carregamento. A metodologia apresentada foi validada pela comparação com diferentes protótipos analisados numericamente, bem como protótipos ensaiados experimentalmente por diversos autores. / Unbonded post-tensioning is characterized for allowing relative displacement between the tendon and the concrete adjacent fiber. The ultimate stress in the unbonded tendon is difficult to be obtained, because it is not only dependent on the deformed shape of a cross section, but on the whole deformations occurring in the tendon profile adjacent concrete. To evaluate this ultimate stress, it is necessary to integrate all curvatures along the whole element, in order to obtain the total tendon elongation. This can only be precisely obtained using numerical tools, due to the non-linear factors involved in the problem. Unbonded post-tensioning is becoming ever more used in Brazilian building construction. The main unbonded post-tensioning system uses the unbonded mono-strand, that joins the benefits of prestressing with the necessary building simplicity. Nevertheless, there is no research effort in Brazil compatible with the construction industry demand. This study seeks to contribute to the development of the national formulations design of unbonded posttensioning elements. This work is a continuation of a research being undertaken at PPGEC/UFRGS. A numerical model able to determine the behavior of unbonded posttensioned elements was first developed, followed by a parametric study about the main parameters influencing the ultimate stress in unbonded tendons. The present work traced a correlation between the results for unbonded elements, obtained from the parametric analysis, with results for bonded elements. The latter are easily obtained, because they are based on the compatibility of strains in the cross section. Numerical and analytical calculations were performed for the same prototypes studied in the previous research, but now considering the existence of bond in the tendons. The results showed greater increments in stress for the bonded cases and also greater ultimate resistance. It was also devised a calculation method able to determine the ultimate stress in the unbonded tendon using an analysis similar to strain compatibility, but with a reduction bond coefficient Lo/L. The initial results obtained for a third-point loading showed a good agreement, but that not happened for the results of distributed and concentrated loads. However, by an adjustment of the Lo/L coefficient, based on the data of the previous research, good agreement was observed for all loading types. The presented methodology was validated by comparing results with other prototypes analyzed by the numerical model, and also results of experimental studies carried out by several authors.

Este trabalho versa sobre o desenvolvimento de rotinas computacionais para o projeto automático de estruturas de concreto submetidas à protensão aderente e não aderente, conforme recomendações das normas brasileira [NBR6118:2007] e francesa [Règles BPEL 91]. A justificativa da realização deste trabalho vem da crescente utilização da protensão no Brasil, devido principalmente a suas vantagens construtivas, à redução na incidência de fissuras e na dimensão das peças com o emprego eficiente de materiais de maior resistência. Visando contribuir para o desenvolvimento científico nacional, o presente trabalho dá continuidade a uma linha de pesquisa que vem sendo desenvolvida no Programa de Pós- Graduação em Engenharia Civil – PPGEC/UFRGS, a qual foi iniciada com a implementação de um modelo numérico, baseado na formulação do elemento finito do tipo híbrido para pórticos planos, que faz a análise quanto à flexão de seções com protensão aderente e não aderente. A partir deste elemento finito, torna-se possível a utilização de elementos longos, de maneira que um único elemento finito possa ser utilizado para um vão de viga ou pilar, reduzindo, assim, o esforço computacional. O modelo numérico considera a não linearidade geométrica, carregamentos cíclicos e construção composta, levando em conta a concretagem por fases. Relações constitutivas já consolidadas na literatura são empregadas para os materiais, sendo que a cadeia de Maxwell é utilizada para representar o comportamento reológico do concreto e do aço de protensão, respeitando as características de cada material. Realizou-se, ainda, um estudo das variáveis necessárias na implementação do modelo numérico a fim de desenvolver uma interface gráfica amigável com a ajuda do software Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, disponível gratuitamente na internet, facilitando, desta forma, a entrada de dados. As rotinas computacionais implementadas efetuam a verificação dos estados limites de serviço e últimos, complementando o modelo numérico original. São consideradas as situações de protensão completa, limitada e parcial e verificados conforme cada caso, os estados limites de descompressão, de formação e de abertura das fissuras, além dos estados limites últimos finais, no ato da protensão e a verificação do esforço cortante. São apresentadas comparações entre situações de projeto conforme as normas brasileira e francesa, analisando de forma crítica os resultados obtidos. De um modo geral, observou-se que as verificações feitas pela norma francesa apresentaram resultados mais conservadores. Ao longo deste trabalho, buscou-se, como objetivo principal, tornar o programa computacional operacional para a realização de projetos. / This work presents the development of computational algorithms for the automatic design of concrete structures subjected to bonded and unbonded prestressing, according to the Brazilian [NBR6118:2007] and French [Règles BPEL 91] code specifications. The study is justified by the increased use of prestressing in Brazil, due to its many constructive advantages, like reduction in crack incidence and decrease in section dimensions, with the efficient use of higher resistance materials. It is part of a major research developed in the Graduate Program in Civil Engineering - PPGEC/UFRGS, started with the implementation of a numerical model based on the formulation of a hybrid type finite element for prestressed plane frames. Such model, makes possible the use long elements, so that a single finite element can be used for modeling a beam or column, therefore improving computational efficiency. The numerical model considers geometric nonlinearity, cyclic loading and composite construction, allowing different constructive stages. Well established constitutive relations are used for representing material behavior and the Maxwell chain model is used for both concrete and prestressing steel time-dependent responses. A study on the variables needed to implement the numerical model was performed, in order to develop a friendly graphical interface, with the help of Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition, a free software that facilitates data acquisition. The implemented computational algorithm performs the verification of the Serviceability Limit States and the Ultimate Limit State, with a view to complementing the original numerical model. Full, partial and limited prestressing situations are considered and checked and, in each case, the Limit State of Decompression, the Limit State of Cracking, the Ultimate Limit State, the final act of prestressing and the Shear Strength are verified. Comparison between design situations according to the Brazilian and French code specifications are presented. In general, it was observed that verifications of the French code were more conservative. This work was focused on the main objective to make the computer program operational for structural design.

Estruturas com protensão não aderente estão sendo utilizadas como uma alternativa na tecnologia de projeto e execução de edifícios. Este trabalho apresenta a análise numérica de estruturas com protensão não aderente. Para este fim, foi desenvolvido um programa computacional onde implementou-se um modelo não linear físico e geométrico através do método dos elementos finitos. O comportamento dos materiais é descrito por um modelo elasto-viscoplástico. No concreto, são utilizados elementos finitos isoparamétricos tridimensionais. Para representar o seu comportamento após a fissuração é utilizado o modelo de fissuras distribuídas. As armaduras são incluídas através do modelo incorporado, utilizando-se de elementos unidimensionais isoparamétricos.As armaduras passivas são consideradas como uma linha de material mais rígido no interior do elemento de concreto, existindo uma aderência perfeita entre o concreto e o aço. Nas armaduras não aderentes, é considerada a compatibilidade de deslocamentos entre os materiais apenas nas ancoragens, sendo que a armadura pode movimentar-se livremente no interior do concreto. O modelo não linear geométrico, utilizado para o concreto e para a armadura, foi desenvolvido com base na formulação Lagrangeana Total, considerando grandes deslocamentos e pequenas deformações. Para verificar a precisão do modelo computacional, compararam-se resultados numéricos com valores experimentais disponíveis na literatura. / Unbonded prestressed concrete structures have been increasingly used as an alternative in the technology of design and construction of buildings. This work presents a numerical analysis of unbonded prestressed concrete structures. To accomplish this, a computational program has been developed in which a physical and geometrical nonlinear model was implemented through the finite element method. Materials behavior has been described through an elasto-viscoplastic model. In the concrete, a threedimensional isoparametric finite element has been used. To represent its behavior after cracking, the smeared cracking model has been used to. The prestressing tendons and reinforcement have been included according with the embedded model approach by the use of one-dimensional isoparametric elements. The reinforcement has been considered in the model as a line of a stiffer material inside the concrete element, with a perfect bonding between concrete and steel. As for the unbonded tendons, displacement compatibility between materials has been considered only at the anchorages, but they are allowed to move freely along their length inside the concrete. The geometric nonlinear model that has been used for the concrete, reinforcement and tendons has been developed according to the Total Lagrangean formulation, considering large displacements and small strains. In order to evaluate the accuracy of the computational model, numerical results have been compared with experimental values available in the literature.

Due to the unbonded nature of tendons to the slab within Unbonded Post Tensioned (UPT) concrete structures, tendon stress relaxation under heating affects all regions of the slab spanned by the tendon; not just in the locality of the fire. The numerical modelling of bonded and unbonded post tensioned concrete structures in fire has been performed to some degree, notably by Bailey and Ellobody. The consideration of elevated temperature creep to the relaxation of tendon prestress however, has not been considered. This thesis attempts to incorporate a uniaxial creep strain rate function of stress and temperature into the commercial FE software package Abaqus, compatible for use within the in-built multiaxial metal plasticity constitutive framework. What follows is a validation study of the Harmathy’s uniaxial creep strain accumulation function via the modelling of stress relaxation in isolated, tensioned and heated prestressing steel tendons, against experimental data. From here, UPT concrete slab models are analysed whilst exposed to a standard fire temperature-time curve and subsequently allowed to cool. Tendon prestress relaxation and resulting UPT concrete slab deflection is compared, where tendon creep is explicitly modelled, as opposed to implicitly covered by Eurocode 2 determined temperature dependent stress-strain curves. Following this, a large scale continuous one-way spanning UPT concrete structural model is developed to consider global structural behaviour resulting from localised fire, where realistic boundary conditions such as beam rotation and deflection are permitted. The ignorance of explicit elevated temperature creep consideration, in prestressing steel tendons, is commonly justified through the implicit accountability stated within Eurocode 2 temperature dependent stress-strain curves. This however is not completely true; Eurocode 2 states implicit accountability only holds should the tendon be heating at a rate within the bounds of 2⁰C/min to 50⁰C/min. Where only heating of a UPT concrete slab is considered, evidence from this thesis suggests Eurocode 2 determined stress-strain curves can implicitly account for accumulated creep strain up to limited temperatures. Prestressing steel tendons are however embedded within a concrete slab through which thermal gradients build up during fire. This means heat transfer can continue to the tendon, increasing its temperature postfire at an ever decreasing rate until it reaches its peak. Should post-fire cooling behaviour not be considered, continued tendon heating and subsequent creep strain accumulation will be ignored. Further, during the transition from heating to cooling within the tendon, it will be exposed to elevated temperatures with a rate of change below 2⁰C/min, whereby Eurocode 2, as stated cannot implicitly account for creep. It is shown, a significant degree of subsequent relaxation of prestress, UPT concrete slab deflection and concrete damage in hogging can occur during this phase of postfire behaviour, where the tendon temperature peaks during its transition from heating to cooling. In order to justify non consideration of creep, it should be shown tendon temperature will remain suitably low throughout the entire heating-cooling regime to which the UPT concrete slab is exposed. This must be achieved through adequate specification of minimum concrete cover to tendons to limit tendon temperature exposure for a given parametric fire curve duration, including the potential continued rise post-fire. Evidence within this thesis identifies 350⁰C as a critical temperature whereby the explicit consideration of tendon creep does not significantly increase predicted prestress relaxation and subsequent UPT concrete slab deformation, compared to implicit creep consideration from Eurocode 2. The manufacturing standard to which prestressing steel tendon strands are produced has been shown experimentally by Gales to significantly influence their susceptibility to elevated temperature creep. This is reflected by Gales determining differing creep parameters as a function of stress for incorporation in Harmathy’s uniaxial creep strain function. Modelled prestress relaxation of isolated, tensioned and heated tendons within this thesis is therefore significantly reduced when tendons are manufactured to a yield stress of 1860MPa according to the BS 5896 standard, as opposed to the ASTM A416 standard. As a result Eurocode 2 determined stress-strain curves implicitly account for accumulated creep strain during heating, at 10⁰C per minute, up to approximately 400⁰C for grade 1860 ASTM A416 manufactured tendons and 500⁰C for grade 1860 BS 5896 standard tendons. The aforementioned critical temperature of 350⁰C does not in actuality apply to necessary explicit creep consideration for UPT concrete slabs modelled with grade 1860 BS 5896 standard tendons. This temperature however remains a design temperature limit, owing to the potential onset of microstructural recrystallization beyond 400⁰C and the associated degradation of mechanical properties that coincides. The reasons for such differing elevated temperature creep and stress relaxation behaviour between the two manufacturing standards of prestressing steel wires and strands has been postulated within this thesis to be due to differing chemical compositions. This relates specifically to large relative differences of phosphorus and sulphur found in wires manufactures to each standard as tested by Gales.