Galvin, Peter

Maine Department of Transportation

Marquis, Jake

Turner, J B

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Maine State Library Digital Maine Transportation Documents Transportation 1-11-2011 Culvert Rehabilitation Using Composite Materials, January 11, 2011 Maine Department of Transportation Jake Marquis J B. Turner Peter Galvin Follow this and additional works at: https://digitalmaine.com/mdot_docs Culvert Rehabilitation Using  Composite MaterialsJake Marquis, AEWC ‐ University of MaineJB Turner &  Peter Galvin ‐ Kenway CorporationJanuary 11, 20111www.kenway.comComposite Structural Liner Design and Proof‐of‐Concept2www.kenway.com3• Established by NSF in 1996Mandate: establish world leadership in  next‐generation wood/non‐wood  hybrid composites for construction• AEWC Mission–Education–Research–Commercialization• Industry Support–Product Development–Testing – coupon to full‐scale–Building Code ReportsAn ISO 17025 R&D Laboratory Accredited by International Accreditation ServiceAEWC has Relevant Experience in  Infrastructure Market Composites for Bridge Applications• Compact, durable, and lightweight• Reduced transportation costs• Rapid installation with less effort• Cost competitive and longer lasting4Extruded Sheet Piling• Bio‐based composite  resistant to decay,  corrosion, and UV• 100% recyclableCONSTRUCTIO NCOMPOSITESAEWCAmherst Bridge Culverts Selected to  Demonstrate Composite Liners• MDOT provided funding under the Composite  Bridge Initiative and participated in site work• AEWC led design,  analysis, and proof‐ of‐concept testing• Kenway performed  manufacturing and  installation5West Branch Half-mile Pond Brook, Rt. 9, AmherstDeterioration of Bridget Culverts  Requires Replacement or Repair• Abrasion of the galvanized  coating on steel culverts  leads to degradation and a  weakened culvert invert• Replacement costs can be  up to 20X rehabilitation  costs and very disruptive to  traffic, especially for  multiple deep culverts6Culverts far outnumber all other types of stream crossings!AEWC and Kenway have Developed a  Composite Culvert Repair Solution• The objective is to deploy a fiber‐reinforced polymer  (FRP) culvert rehabilitation solution with value &  benefit over existing replacement/rehab options lower overall project cost by drastically reducing labor  and equipment expensesmitigate impact to traffic & stream flow extend life span to reduce future cost/workminimize increase in invert elevation accommodate fish passage7Reinforced Concrete Invert Liners are  Common… but Labor Intensive• Significant labor… several  thousand feet of rebar• Requires heavy equipment• Raises invert elevation  impacting flow & fish• Rebar corrodes causing  spalling and more damage• Life of repair is only about  20 to 25 years8FRP Liner System Provides Greater  Efficiency and Longer Life• Pre‐engineered solution  reduces installation time  and overall project costs• Light‐weight composite  panels are installed by hand• Conforms to existing pipe  with less invert change• Ability to attach pre‐ manufactured fish weirs  and ladders• Minimizes scope and  duration of traffic impact  and in‐stream time• Highly corrosion, abrasion,  and impact resistant for  long service life (>75 years)• Environmentally friendly  solution does not impact  stream pH or leach  chemicals, for example…9FRP is Safe for the Environment 10• Swimming pools & spas• Shower enclosures• Water & sewer pipes• Boats & PWC• Aquaculture facilities• Marine infrastructureFRP Tanks used in Aquaculture  Applications11A Conceptual Design was Selected Based  on Manufacturability and Performance• FRP liner restores the full  compressive strength of  corroded steel• Annular grout works with  the FRP to provide stiffness  and fills the void between  corrugated steel and liner• Powder‐actuated fasteners  transfer the thrust load in  the culvert from solid steel  to the FRP liner12AEWC Performed Laboratory Tests to  Verify Predictions and Prove the Concept• FRP laminate mechanical  properties were measured  to validate models• Component level testing  confirmed seam strength of  mechanical connection• A full‐scale mockup was  evaluated to validate the  design and prove overall  structural integrity13Designed to AASHTO LRFD Bridge     Design Specifications• Design loads with applicable load factors = 2.25 KSF– structural + wearing surface + vertical earth pressure– live loads did not apply since earth cover > 8 feet• Compressive: ultimate strength/actual stress = 17• Buckling: ultimate/actual = 2.5• Seam Strength: ultimate/actual = 2• Durability: predicted design life is > 75 years14Future Development Considerations• Seam strength studies– Fastener tearing resistance with new flange laminate– Impact of fastener spacing and number of rows– Accelerated weathering of fasteners/joint• Continuous improvement from lessons learned  during previous installations• Expansion to other structures and applications:  water and sewer mains, erosion protection, bridge  rehabilitation (decks, beams, columns, etc.)15Manufacture & Installation16www.kenway.comThe History of Kenway• Family Business Founded in 1947• Transitioned to FRP in 1950’s• Specializing in Corrosion and Abrasion Resistance for Heavy Industry by mid 1960’s• State‐of‐the‐Art Manufacturing Facility in 1991• Phase II Facility Expansion in 1998• Phase III Facility Expansion in 2008• Sales and Employment have more than doubled since 2000www.kenway.comMarkets Served• Heavy Industry• Power & FGD• Renewable Energy• Chemical• Aquaculture• Infrastructure• Transportation• Semi‐Conductor• WWT and Odor Control• MarineVacuum Infusion Process used to  Manufacture Panels• Consistent quality of  laminate• Low void content• High fiber content• Dimensional Stability• Close Tolerances19Environmentally Friendly    Manufacturing Process • Ultra‐low VOC emissions• Minimal resin waste• Minimal trim losses• Net shape mold20Custom Sized Panels built at Factory provide a  Quality Product and Reduced Installation Time21Plate Arch Shaped Culvert LiningMinimal Preparation for Liner Install• Pressure washing to  remove algae and debris• Removal of  bolts extending  significantly past the nuts22Minimal Mechanical Equipment Required  for Installation of Panels• Position with variable reach  forklift and sling• Move into final position by  hand• Panel weight is less than  200 pounds23Efficient Panel Installation Allows  Rehabilitation in Half the Time• Once in position, anchoring  is quick• Anchoring requires no pre‐ drilling24Spot Repairs are Easily Made… Even Overhead!25Installation of a Liner in One Week• From this…… • ….To this26Custom Weirs and Baffles Built to  Required Specifications2728FRP Fish Ladder Built to  Biologist Design Specifications  with Adjustable BafflesMinimal Brook ImpactPumping of brook flow for  West culvert maintenance29Diversion of flow through  adjacent culvert for East LiningVery Low Environmental Impact Overall Site Improvement• Deep scouring from outfall • Smoother transitions in elevation30• Erosion during high flow • Protective rip rapBefore AfterHybrid Composite Liner System Solutions can  also be applied to Water and Sewer systems.31Composite Bridge Drain Development (AEWC, MDOT & Kenway Collaboration)Composite Solution  to Corrosion  ProblemsFRP Bridge Drain  Prototypes Tested by  AEWCCost‐Competitive Alternative to Galvanized DrainsComposite Bridge Drain SystemsPre‐engineered system to  minimize field installation times,  including:Integrated composite scuppersCollection basinsCleanoutsPipingComposite Forms & Stay‐In‐Place Forms (SIP)Kenway provided Composite  Form Work to Modern  Continental on MTA’s “Big Dig” ProjectComposite Opportunity  for Pre‐Manufactured  Stay‐In‐Place Forms for  a variety of Marine &  Infrastructure  ApplicationsComposite Repairs/ReinforcementDegradation of  wood & concrete  piles in marine &  infrastructure……repaired and  strengthened with  composite wraps and  overlays.Questions?36

Culvert Rehabilitation Using Composite Materials, January 11, 2011

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Culvert Rehabilitation Using Composite Materials, January 11, 2011

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