Advantages of using ultra-high-performance concrete (UHPC) link slabs as an alternative to dowel bar joints in rigid road surfaces

• Autorzy: Al-Jelawy Haider M. , Kinaine Alaa Faisal , Mousa Mohammed Abbas , Muhaisin Muthana Hussein

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.025.004

Warianty tytułu

PL

Zalety wykorzystania płyt łącznikowych z betonu o bardzo wysokiej wytrzymałości (UHPC) jako alternatywy połączeń dyblowych w sztywnych nawierzchniach drogowych

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The presented experimental study evaluates the possibility of replacing rigid pavement joints by a link slab made of ultra-high-performance concrete (UHPC) and shows advantages of it. Connection between the link slab and the pavement is provided by using shear studs. The tests focusing on evaluation of the load-deflection performance of UHPC link slabs was done using full-scale models. Twelve model structures containing UHPC link slabs were fabricated, tested and compared with specimens containing steel dowel bars. Parameters investigated in this study included link slab length and thickness, the number of shear studs, and joint width. The experimental results showed less deflection at the joint face, especially when the link slabs were 450 mm long and 70 mm thick, displaying a reduction in deflection by 47.46%-61.54% compared with steel dowel joint, at the load of 60 kN. Moreover the UHPC link slab ultimate load and relative deflection were more sensitive to changes in link slab thickness and length. Compared with model including shear stud connector, the ultimate load increased by 38.24%-88.52% and the relative deflection RD decreased by 56.12%-81.81% when the UHPC link slab was 450-mm-long and 70-mm-thick. Load transfer efficiency LTE of specimens with UHPC link slabs was slightly greater than that of specimens with dowel bars, which was in the range of 70%-90%. The values of LTE were more advantageous when two shear studs were used instead of one shear stud on each side. Mode of failure of specimens with UHPC link slabs consisted in shearing or flexural cracking near the joint region. The study indicated that UHPC link slabs could be a superior substitute for the traditional steel dowels in rigid pavements.

PL

W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu badawczego polegającego na zastąpieniu stalowych dybli jako łączników betonowych płyt zwykłych w sztywnych nawierzchniowych drogowych, płytami łącznikowymi z betonu o bardzo wysokiej wytrzymałości UHPC (ang. ultra high performance concrete). Do połączeń płyt łącznikowych UHPC z sąsiednimi płytami z betonu zwykłego zastosowano ścinane dyble. Badania realizowano na modelach naturalnej wielkości. Celem eksperymentu było określenie charakterystyki obciążenie-przemieszczenie dla płyt łącznikowych z betonu UHPC. Wykonano dwanaście stanowisk z próbkami zawierającymi betonowe płyty nawierzchni sztywnej połączone płytą z betonu wysokowartościowego UHPC, zróżnicowaną w układzie pod względem długości, grubości płyty, liczby dybli ścinanych oraz szerokości szczeliny złączeniowej. Wyniki przeprowadzonych eksperymentów obciążeniowych płyty z betonu UHPC porównano odpowiednio z wynikami testów na próbkach zawierających jako łączniki stalowe dyble. Na podstawie przeprowadzonych badań wyznaczono dla każdego stanowiska badawczego krzywe obciążenie-przemieszczenie uwzględniając przy tym różne konfiguracje wymiarów płyty łącznikowej UHPC. W przypadku połączeń płyt betonowych z wykorzystaniem jako łączników płyty UHPC wykazano ich mniejsze ugięcie pod wpływem obciążenia monotonicznego (szczególnie w pobliżu krawędzi łączenia) niż przy zastosowaniu do tego celu stalowych dybli. Dla płyt łącznikowych UHPC o długości 450 mm i grubości 70 mm, przy obciążeniu 60 kN, odnotowano mniejsze ugięcie o 47,46-61,54% w porównaniu do połączenia płyt stalowymi dyblami. Nośność graniczna i ugięcie względne płyty łącznikowej wykonanej z betonu UHPC wykazywały większą podatność na zmiany zarówno jej grubości jak i długości. W porównaniu do próbek zawierających połączenia płyt za pomocą dybli, w przypadku płyty łączącej z betonu UHPC o długości 450 mm i grubości 70 mm jej nośność graniczna wzrosła o 38,24%-88,52%, a ugięcie względne RD zmniejszyło się o 56,12-81,81%. Wskaźnik efektywności przenoszenia obciążenia LTE dla stanowisk zawierających płyty łącznikowe z betonu UHPC był nieco wyższy niż w przypadku próbek zawierających połączenia dyblowe i mieścił się w zakresie 70-90%. Wartości tego wskaźnika były korzystniejsze w przypadku zastosowania dwóch łączników ścinanych zamiast jednego po każdej stronie płyty. Mechanizm zniszczenia próbek zawierających płyty łącznikowe z betonu UHPC uwzględniał ścinanie lub zginanie płyt w pobliżu krawędzi łączenia. Badanie wykazało, że płyty łącznikowe z betonu UHPC mogą być alternatywnym rozwiązaniem do zastosowania w sztywnych nawierzchniach betonowych w stosunku do tradycyjnych połączeń stalowymi dyblami.

Słowa kluczowe

EN

epoxy-coated steel dowel bars; JPCP; link slab; LTE; relative deflection; sustainability; UHPC

PL

LTE; nawierzchnia betonowa ze szczelinami poprzecznymi; płyta łącznikowa; stalowe dyble pokryte żywicą epoksydową; trwałość; UHPC; ugięcie względne

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2025
• Tom: Vol. 24, no. 1
• Strony: 69--101
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Al-Jelawy Haider M.

• University of Al-Qadisiyah, Department of Roads and Transport Engineering, 100 Aljamaa St., 58001 Al-Diwaniyah, Iraq

• https://orcid.org/0000-0003-2465-794X

autor

Kinaine Alaa Faisal

• Department of Roads and Bridges, 730 Court St., 58001 Al-Diwaniyah, Iraq

autor

Mousa Mohammed Abbas

• University of Al-Qadisiyah, Department of Roads and Transport Engineering, 100 Aljamaa St., 58001 Al-Diwaniyah, Iraq

• https://orcid.org/0000-0002-1403-539X

autor

Muhaisin Muthana Hussein

• University of Al-Qadisiyah, Department of Civil Engineering, 100 Aljamaa St., 58001 Al-Diwaniyah, Iraq

• https://orcid.org/0000-0003-4581-9098

Bibliografia

• 1. Löfsjögård M.: A laboratory investigation on bonding properties of dowels in concrete roads. Materials and Structures, 38, 7, 2005, 721-728, DOI: 10.1007/BF02484317
• 2. Porter M.L., Guinn R.J., Lundy A.L., Davis D.D., Rohner J.G.: Investigation of glass fiber composite dowel bars for highway pavement slabs. Iowa State University, Engineering Research Institute, Ames, 2001
• 3. Bian Y.: Investigation of fiber reinforced polymer (FRP) dowel bars in rigid pavements. PhD thesis, University of California, Davis, 2009
• 4. Porter M., Pierson N.: Laboratory evaluation of alternative dowel bars for use in Portland cement concrete pavement construction. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2040, 1, 2007, 80-87, DOI: 10.3141/2040-09
• 5. Vijay P.V., Ganga Rao H.V.S., Li H.: Design and evaluation of jointed plain concrete pavement with fibre reinforced polymer dowels. Report No. FHWA-HRT-06-106, Federal Highway Administration, McLean, 2009
• 6. Richard P., Cheyrezy M.H.: Reactive powder concretes with high ductility and 200-800 MPa compressive strength. ACI Symposium Publication, 144, 507-518, DOI: 10.14359/4536
• 7. Richard P., Cheyrezy M.: Composition of reactive powder concretes. Cement and Concrete Research, 25, 7, 1995, 1501-1511, DOI: 10,1016/0008-8846(95)00144-2
• 8. Naji A.J., Al-Jelawy H.M., Hassoon A., Al-Rumaithi A.: Axial Behavior of Concrete Filled-steel Tube Columns Reinforced with Steel Fibers. International Journal of Engineering, 35, 9, 2022, 1682-1689, DOI: 10.5829/ije.2022.35.09c.02
• 9. Wing K.M., Kowalsky M.J.: Behavior, analysis, and design of an instrumented link slab bridge. Journal of Bridge Engineering, 10, 3, 2005, 331-344, DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0702(2005)10:3(331)
• 10. Caner A., Zia P.: Behavior and design of link slabs for jointless bridge decks. PCI Journal, 43, 3, 1998, 68-80, DOI: 10.15554/pcij.05011998.68.80
• 11. Gastal F., Zia P.: Behavior and design of link slabs for jointless bridge decks. In: Durability of Structures. IABSE Symposium, 6-8 September 1989, Lisbon (IABSE Report Volume 57/2)
• 12. Xue J., Briseghella B., Huang F., Nuti C., Tabatabai H., Chen B.: Review of ultra-high performance concrete and its application in bridge engineering. Construction and Building Materials, 260, 2020, Article ID: 119844, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.119844
• 13. Reed C.: Evaluation of Functionality and Service Life of Ultra-High Performance Concrete Link Slab Connections for Bridges. Master’s Thesis, University of Oklahoma, 2022
• 14. Haber Z.B., Foden A., McDonagh M., Ocel J.M., Zmetra K., Graybeal B.A.: Design and Construction of UHPC-Based Bridge Preservation and Repair Solutions (No. FHWA-HRT-22-065). Federal Highway Administration, Office of Infrastructure Research and Development, McLean, 2022
• 15. Kinaine A.F., Al-Jelawy H.M.: Using Short Ultra-High Performance Concrete Link Slab as an Alternative to Steel Dowel Bars in Rigid Pavements. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1232, 1, 2023, Article ID: 012053, DOI: 10.1088/1755-1315/1232/1/012053
• 16. AASHTO guide for design of pavement structures. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, 1993
• 17. Mannava S.S., Bush Jr. T.D., Kukreti A.R.: Load-deflection behavior of smooth dowels. ACI Structural Journal, 96, 6, 1999, 891-898, DOI: 10.14359/784
• 18. Al-Humeidawi B.H., Mandal P.: Evaluation of performance and design of GFRP dowels in jointed plain concrete pavement – part 2: numerical simulation and design consideration. International Journal of Pavement Engineering, 15, 8, 2014, 752-765, DOI: 10.1080/10298436.2014.893314
• 19. Al-Humeidawi B.H., Mandal P.: Numerical evaluation of the combined effect of dowel misalignment and wheel load on dowel bars performance in JPCP. Engineering Structures, 252, 2022, Article ID: 113655, DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113655
• 20. ASTM C39/C39M-21a: Standard Test Method for Compressive Strength of Cylindrical Concrete Specimens. ASTM International, West Conshohocken, 2021
• 21. Haber Z.B., Mackie K.R., Al-Jelawy H.M.: Testing and analysis of precast columns with grouted sleeve connections and shifted plastic hinging. Journal of Bridge Engineering, 22, 10, 2017, Article ID: 04017078, DOI: 10.1061/(ASCE)BE.1943-5592.0001105
• 22. Al-Jelawy H.M., Mackie K.R., Haber Z.B.: Shifted plastic hinging for grouted sleeve column connections. ACI Structural Journal, 115, 4, 2018, 1101-1114, DOI: 10.14359/51702233
• 23. Naji A.J., Al-Jelawy H.M., Hassoon A., Al-Rumaithi A.: Axial Behavior of Concrete Filled-steel Tube Columns Reinforced with Steel Fibers. International Journal of Engineering, 35, 9, 2022, 1682-1689, DOI: 10.5829/ije.2022.35.09c.02
• 24. Naji A.J., Al-Jelawy H.M., Saadoon S.A., Ejel A.T.: Rehabilitation and strengthening techniques for reinforced concrete columns. Journal of Physics: Conference Series, 1895, 1, Article ID: 012049, DOI: 10.1088/1742-6596/1895/1/012049
• 25. Al-Jelawy H., Haber Z., Mackie K.: Grouted splice precast column connections with shifted plastic hinging. Proceeding of 16th World Conference on Earthquake – 16WCEE, Santiago, 2017, Article ID: 2711
• 26. Al-Jelawy H.M., Mackie K.R., Haber Z.B.: Experimental and numerical studies on precast bridge columns with shifted plastic hinging. Eleventh U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Los Angeles, 2018
• 27. Wille K., Naaman A.E., Parra-Montesinos G.J.: Ultra-High Performance Concrete with Compressive Strength Exceeding 150 MPa (22 ksi): A Simpler Way, ACI Materials Journal, 108, 1, 2011, 46-54, DOI: 10.14359/51664215
• 28. Graczyk M., Gajewski M., Szczerba R.: Structural analysis of airfield concrete pavement with doweled joints taking into account curling of slabs. Roads and Bridges – Drogi i Mosty, 15, 2, 2016, 137-155, DOI: 10.7409/rabdim.016.009
• 29. Freeman T.J., Zollinger D.G.: Guidelines for routine maintenance of concrete pavement (No. FHWA/TX-08/0-5821-1). Texas Transportation Institute, College Station, 2008