Finite Element Modelling of Existing Gerber-girder Schemes and Retrofitting

Gerber-girder reinforced-concrete bridges which were mostly introduced in Italy between the 1960s and 1980s combine the advantages of continuous girders and statically determinate elements. However, their half-joint details are easily prone to deterioration due of the nature of the joint configuration which usually allows for water accumulation - and is the main contributing factor to deterioration. Consequently, many Gerber systems now require assessment and retrofit to restore performance and extend service life. This study explores the effectiveness of FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix) as a retrofit solution to strengthen deteriorated half joints while investigating how it alters stress distributions and yielding sequences of internal reinforcement layers. A three-dimensional, nonlinear finite-element model of half-joints was developed and calibrated against laboratory tests. The model explicitly represents concrete–reinforcement interaction, corrosion effects, and bond-slip deterioration, and it is used to evaluate the behaviour of internal reinforcement layers under un-strengthened, corroded, and retrofitted scenarios. The results show that FRCM is more effective for half-joints with corroded reinforcement than for pre-damaged (non-corroded) cases, and that the strengthening benefit increases when bond-slip is included in the model. Specifically, the use of FRCM strengthening resulted in capacity improvements of up to 29.38% for un-corroded half-joints, 86.40% for corroded half-joints without bond-slip, and 134.12% for corroded half-joints with bond-slip. The study also found that the yielding sequence of internal reinforcements differs between strengthened and un-strengthened half-joints. These findings can help define clear performance targets and inform practical retrofit layouts and modelling best practices for structural engineers and infrastructure owners engaged in typology-aware decision making.

Gerber-girder in calcestruzzo armato, introdotte in Italia principalmente tra gli anni ’60 e ’80, combinano i vantaggi delle travi continue con quelli degli elementi staticamente determinati. Tuttavia, i dettagli del mezzo giunto sono particolarmente soggetti a degrado a causa della configurazione del giunto, che favorisce l’accumulo di acqua — il principale fattore che contribuisce alla deteriorazione. Di conseguenza, molti sistemi Gerber richiedono oggi interventi di valutazione e rinforzo per ripristinare le prestazioni e prolungare la vita utile. Questo studio analizza l’efficacia dell’FRCM (Fabric-Reinforced Cementitious Matrix — matrice cementizia rinforzata con tessuto) come soluzione di rinforzo per mezzo giunti degradati e indaga come tale intervento modifica la distribuzione degli sforzi e la sequenza di snervamento degli strati di armatura interna. È stato sviluppato un modello tridimensionale non lineare agli elementi finiti del mezzo giunto, calibrato mediante prove di laboratorio. Il modello rappresenta esplicitamente l’interazione calcestruzzo–armatura, gli effetti della corrosione e il degrado dell’aderenza (bond-slip), ed è stato utilizzato per valutare il comportamento degli strati di armatura interna nei casi non rinforzati, corrosi e rinforzati. I risultati mostrano che l’FRCM è più efficace nei mezzo giunti con armature corrose rispetto ai casi pre-danneggiati (non corrosi), e che il beneficio del rinforzo aumenta quando nel modello si considera lo scorrimento di aderenza. In particolare, l’applicazione dell’FRCM ha determinato miglioramenti di capacità fino al 29,38% per i mezzo giunti non corrosi, 86,40% per i mezzo giunti corrotti senza effetto di bond-slip e 134,12% per i mezzo giunti corrotti con effetto di bond-slip. Lo studio ha inoltre evidenziato che la sequenza di snervamento delle armature interne differisce tra mezzi giunti rinforzati e non rinforzati. Questi risultati possono contribuire a definire obiettivi di prestazione chiari e a orientare layout di intervento pratici e buone pratiche di modellazione, a supporto di ingegneri strutturisti e gestori delle infrastrutture nelle decisioni informate basate sulla tipologia.