Investigating the feasibility of utilizing prestressed fiber bars in construction with a focus on structural behavior and sustainability

Abstract

Concrete is the second most used material in the world, after water. The building material is favorable for use in structures but due to concrete’s low tensile strength it is usually reinforced with steel. Steel however is prone to corrosion, especially around water, chemical actions, and salty environments. The manufacturing of steel is also very carbon intensive. This thesis explores fiber reinforced polymer (FRP) bars as a feasible and sustainable alternative to steel reinforcement. Further this thesis also demonstrates the expected relaxation of prestressed basalt fiber reinforced polymer (BFRP) and shortly compares it to other materials, such as carbon and glass. FRP bars, focusing on carbon, glass, and basalt, are non-corrosive and have desirable mechanical properties such as high strength and low weight, making them a promising substitute. A thorough literature review was conducted to assess the sustainability and feasibility of utilizing prestressed FRP bars in concrete structures. Additionally, experimental data from previous research at Reykjavik University on prestressed basalt FRP (BFRP) bars was analyzed. These experiments evaluated the long-term behavior and relaxation characteristics of BFRP bars that were prestressed for over nine years. The main research demonstrated the estimated relaxation rate of BFRP bars over 50 years when prestressed to 50\% of ultimate tensile strength. When compared to prestressed carbon fiber reinforced polymer (CFRP) and prestressed glass fiber reinforced polymer (GFRP) it can be concluded that the relaxation rates are within a similar range. Further findings indicate that prestressed FRP bars can enhance the sustainability and durability of reinforced concrete structures. BFRP bars, in particular, show promise due to their mechanical properties, cost-efficiency, and resistance to environmental degradation. However, this research highlights the need for further research and thorough assessments based on each situation to fully understand the long-term performance and integration of FRP bars to optimize their utilization in construction practices.

Steinsteypa er mest notaða efnið í heiminum, að undanskildu vatni. Byggingarefnið er hagstætt til notkunar í mannvirki en vegna lágs togþols steypu er hún venjulega styrkt með stáli. Stál er þó viðkvæmt fyrir tæringu, sérstaklega í kringum vatn, efnafræðilegar breytingar og í söltu umhverfi. Framleiðsla á stáli er einnig mjög kolefnisfrek. Ritgerð þessi fjallar um forspenntar trefjastangir (e. FRPs) sem raunhæfan og sjálfbæran valkost framyfir stál, við styrkingu steypu. Ritgerðin leggur áherslu á kolefnis-, gler-, og basalt stangir, en trefjastangir tærast ekki og hafa æskilega eiginleika, eins og styrk og léttleika, sem gera þær að hugsanlegum staðgengli fyrir stál. Enn fremur felur ritgerðin í sér greiningu á rannsókn sem framkvæmd var á forspenntum basalt trefjastöngum (e. BFRP) við Háskólann í Reykjavík. Þessar rannsóknir skoðuðu langtímahegðun og slökunareiginleika BFRP stanga sem voru forspenntar í meira en níu ár. Niðurstöður rannsóknarinnar leiddu í ljós áætlað slökunarhlutfall BFRP stanga á 50 árum þegar þær eru forspenntar í 50\% af endanlegum togstyrk. Þegar niðurstöðurnar eru bornar saman við forspennt kolefnis-FRP og forspennt gler-FRP má álykta að slökunarhlutfallið sé innan svipaðra marka. Framkvæmd ítarlegrar gagnaöflunnar við mat á því hvort að FRP stangir séu raunhæfur og sjálfbær valkostur við styrkingu steypu, leiddi í ljós að forspenntar FRPs stangir geta hjálpað til við þróun sjálfbærni og aukið líftíma styrktrar steinsteypu í mannvirkjum. BFRP stangir lofa sérstaklega góðu vegna eiginleika þeirra, kostnaðarhagkvæmni, og umhverfisáhrifa þeirra. Hins vegar þá undirstrikar þessi ritgerð þörf á frekari rannsóknum og ítarlegra mati í hverju tilfelli fyrir sig, til að skilja betur langtíma frammistöðu og samþættingu FRP stanga til að hámarka notkun þeirra í byggingaraðferðum.