Investigation into ultra high performance concrete for pedestrian bridge design: A Cape Town railway case study
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The need for e cient bridge structures with enhanced load-bearing capacity and lower
maintenance is continuously increasing, and the development of cost-e ective solutions to
satisfy these demands remains a never-ending challenge. Ultra High Performance Con crete (UHPC) is an advanced bre reinforced cement-based material with exceptional
strength- and performance properties that far surpass that of conventional concrete, and
o ers a promising solution to improve bridge design.
The successful development of locally-produced UHPC in recent years has raised the
possibility of its utilisation in local design practice. In order to enable its structural
application, a comprehensive understanding of the mechanical behaviour and consequent
structural response is needed to accurately characterise the behaviour of UHPC for design
purposes. With the aim of addressing this issue, this research investigates the utilisation
of locally-developed UHPC in pedestrian bridge design. The study focuses on the devel opment and implementation of a comprehensive design methodology within the context
of a single case study that incorporates appropriate constitutive modelling techniques and
design principles of UHPC into local pedestrian bridge design practice. Subsequently, the
structural response of the developed design concept is assessed in order to gain insight
into the structural design and behaviour of UHPC pedestrian bridges.
The results reveal the di culties that arise in describing the behaviour of UHPC in
design. Constitutive modelling of UHPC, especially its tensile behaviour, must be sup ported by su cient empirical data to accurately characterise its behaviour. Experimental
testing and high quality control is therefore crucial in order to utilise UHPC in structural
design. Despite the considerable e ort with regards to characterising UHPC for design,
the ndings demonstrate the advantageous strength and performance of UHPC structural
components. Owing to the material's intrinsically high sti ness, it is observed that UHPC
pedestrian bridges are less susceptible to excessive deformations during their service life.
Moreover, the bending- and shear forces that arise due to imposed loads can be sustained
by the tensile strength provided by UHPC, consequently reducing the need for additional
reinforcement in the cross section. This enables the design of thin and lightweight struc tural components without compromising on strength.
In view of the implementation of UHPC in local bridge design practice, this research
demonstrates that with careful assessment of experimental testing results and in-depth in sight into the mechanical behaviour of UHPC, the characterisation of UHPC for structural
design in local practice can be derived from constitutive modelling techniques proposed in
literature and the utilisation of UHPC for pedestrian bridges in South Africa is achievable.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die behoefte vir brug strukture met verbeterde dravermoë en vermindere instandhouding neem voortdurend toe, en die ontwikkeling van doeltre ende oplossings om hieraan te voldoen bly `n nimmereindigende uitdaging. Ultra-Hoë Werkverrigting Beton (UHWB) is `n gevorderde sement-gebaseerde materiaal met uitsonderlike sterkte en werkverrigting seienskappe wat `n belowende oplossing bied. Die suksesvolle ontwikkeling van plaaslik-vervaardigde UHWB laat die moontlikheid ontstaan om hierdie materiaal aan te neem in die plaaslike ontwerpspraktyk. Ten einde die strukturele toepassing daarvan moontlik te maak, is `n omvattende begrip van die gedrag en ook die gevolglike strukturele reaksie van UHWB nodig om die gedrag vir on twerp doeleindes akkuraat te beskryf. Met die doel om hierdie kwessie aan te spreek, word die gebruik van plaaslik-ontwikkelde UHWB vir voetgangerbrugontwerp ondersoek in hierdie navorsing. Die studie fokus op die ontwikkeling van `n omvattende metodolo gie wat toepaslike konstitutiewe modelleringstegnieke en ontwerpsbeginsels van UHWB in plaaslike ontwerpspraktyk inkorporeer. Hierdie metodologie word vervolgens geïmple menteer binne die konteks van `n enkele gevallestudie om insig te verkry in die ontwerp en gedrag van UHWB voetgangerbrûe. Die resultate onthul die probleme wat ontstaan om die gedrag van UHWB vir on twerpsdoeleindes te beskryf. Konstitutiewe modellering van UHWB, veral die gedrag in trek, moet deur voldoende empiriese data ondersteun word om sodoende die gedrag akku raat te karakteriseer. Genoegsame eksperimentele toetse, asook hoë kwaliteit beheer, is dus van kardinale belang om UHWB in strukturele ontwerp te gebruik. Ten spyte van die aansienlike moeite met betrekking tot die karakterisering van UHWB, demonstreer die bevindinge die voordelige sterkte en werkverrigtingseienskappe van UHWB strukturele komponente. As gevolg van die materiaal se intrinsieke hoë styfheid, is UHWB voet gangerbrûe minder vatbaar vir oormatige vervormings gedurende hul leeftyd. Boonop kan die buig- en skuif kragte wat ontstaan ondersteun word deur die treksterkte wat deur UHWB verskaf word, wat gevolglik die behoefte vir addisionele versterking in die dwarssnit verminder. Dit maak die ontwerp van dun en liggewig strukturele komponente moontlik sonder om op sterkte in te boet. Hierdie navorsing toon dat - met noukeurige assessering van eksperimentele toetsre sultate en diepgaande insig vain die meganiese gedrag van UHWB - die karakterisering van UHWB afgelei kan word van modelleringstegnieke wat in literatuur voorgestel word. Met die oog op die implementering van UHWB in plaaslike brugontwerpspraktyk, toon hierdie navorsing verder dat die gebruik van UHWB vir voetgangerbrûe in Suid-Afrika haalbaar is.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die behoefte vir brug strukture met verbeterde dravermoë en vermindere instandhouding neem voortdurend toe, en die ontwikkeling van doeltre ende oplossings om hieraan te voldoen bly `n nimmereindigende uitdaging. Ultra-Hoë Werkverrigting Beton (UHWB) is `n gevorderde sement-gebaseerde materiaal met uitsonderlike sterkte en werkverrigting seienskappe wat `n belowende oplossing bied. Die suksesvolle ontwikkeling van plaaslik-vervaardigde UHWB laat die moontlikheid ontstaan om hierdie materiaal aan te neem in die plaaslike ontwerpspraktyk. Ten einde die strukturele toepassing daarvan moontlik te maak, is `n omvattende begrip van die gedrag en ook die gevolglike strukturele reaksie van UHWB nodig om die gedrag vir on twerp doeleindes akkuraat te beskryf. Met die doel om hierdie kwessie aan te spreek, word die gebruik van plaaslik-ontwikkelde UHWB vir voetgangerbrugontwerp ondersoek in hierdie navorsing. Die studie fokus op die ontwikkeling van `n omvattende metodolo gie wat toepaslike konstitutiewe modelleringstegnieke en ontwerpsbeginsels van UHWB in plaaslike ontwerpspraktyk inkorporeer. Hierdie metodologie word vervolgens geïmple menteer binne die konteks van `n enkele gevallestudie om insig te verkry in die ontwerp en gedrag van UHWB voetgangerbrûe. Die resultate onthul die probleme wat ontstaan om die gedrag van UHWB vir on twerpsdoeleindes te beskryf. Konstitutiewe modellering van UHWB, veral die gedrag in trek, moet deur voldoende empiriese data ondersteun word om sodoende die gedrag akku raat te karakteriseer. Genoegsame eksperimentele toetse, asook hoë kwaliteit beheer, is dus van kardinale belang om UHWB in strukturele ontwerp te gebruik. Ten spyte van die aansienlike moeite met betrekking tot die karakterisering van UHWB, demonstreer die bevindinge die voordelige sterkte en werkverrigtingseienskappe van UHWB strukturele komponente. As gevolg van die materiaal se intrinsieke hoë styfheid, is UHWB voet gangerbrûe minder vatbaar vir oormatige vervormings gedurende hul leeftyd. Boonop kan die buig- en skuif kragte wat ontstaan ondersteun word deur die treksterkte wat deur UHWB verskaf word, wat gevolglik die behoefte vir addisionele versterking in die dwarssnit verminder. Dit maak die ontwerp van dun en liggewig strukturele komponente moontlik sonder om op sterkte in te boet. Hierdie navorsing toon dat - met noukeurige assessering van eksperimentele toetsre sultate en diepgaande insig vain die meganiese gedrag van UHWB - die karakterisering van UHWB afgelei kan word van modelleringstegnieke wat in literatuur voorgestel word. Met die oog op die implementering van UHWB in plaaslike brugontwerpspraktyk, toon hierdie navorsing verder dat die gebruik van UHWB vir voetgangerbrûe in Suid-Afrika haalbaar is.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Elevated pedestrian walkways, Ultra high performance concrete, UCTD, Concrete bridges -- Engineering and construction, Bridges -- Design and construction