Modellering av etteroppspente betongbruer med korrosjonsskadet spennarmering

Abstract

Etteroppspente spennarmeringssystemer gjør det mulig å bygge lange og slanke brukonstruksjoner. Etter at spennkablene er spent opp og føringsrørene fylt igjen, er det derimot vanskelig å inspisere tilstanden til spennkablene uten å gjøre destruktive inngrep. Med tidligere kollapser av etteroppspente betongbruer, er det derfor ønskelig å få mer kunnskap om hvordan korrosjon på spennarmeringen påvirker disse brukonstruksjonene. Denne oppgaven tar for seg teori om korrosjon og hvordan dette påvirker spennarmerte brukonstruksjoner. Videre redegjøres det for hvordan korrosjonsskadet spennarmering kan modelleres i FEM-programmet Abaqus, slik at numeriske verktøy kan brukes til å få mer innsikt i de strukturelle konsekvensene ved spennarmeringskorrosjon. Til slutt i denne oppgaven er det gjort en studie der ulike skadescenarioer er simulert, og resultatene er sammenlignet for å finne karakteristikker ved korrosjon på spennarmering. Tidligere studier viser at korrosjon gjør skade på både armeringen og den omkringliggende betongen. Når korrosjon foregår, mister armeringen areal og endrer stålegenskaper. Rustproduktet som dannes av korrosjon, tar i tillegg opp et større volum enn det opprinnelige stålet, som gir et indre trykk i betongen og påvirker samvirket mellom betong og armering. De ulike skadescenarioene som er simulert er (1) tap av heft, (2) redusert spennarmeringsareal og (3) fullt brudd på spennkabel. Resultatene indikerer at tap av heft i indre områder på betongen gir lite eller ingen utslag. Ved redusert spennarmeringsareal og fullt brudd i spennkabel endrer spenning tøyningsfordelingen seg i stor grad i områder med korrosjonsskade, mens påvirkningen på den globale oppførselen er mindre. Ved stor nok skade risses betongen opp og gir en momentan reduksjon av brukonstruksjonens stivhet. Konsekvensene av korrosjonsskade viser seg å være størst i områder som er høyt belastet med moment, samt områder der en skade på få spennkabler utgjør en stor andel av forspenningen i et tverrsnitt. Resultater knyttet opp mot modellering av korrosjonsskadet spennarmering viser at metoder som separat modellering av betong og armering samt reduksjon av elementtverrsnitt, kan simulere tap av heft og tap av aktivt armeringsareal. For simulering av fullt brudd kan endring av forspenningskraft eller definering av interaksjonsegenskaper mellom betong og armering, tilpasses slik at reforankring av spennkraft blir simulert på en hensiktsmessig måte.

Post-tensioned tension systems makes it possible to build long and slender bridge structures. However, after the tendons are tightened up and the ducts are grouted, it is difficult to inspect the condition of the tendons without making destructive engagement. Since post-tensioned concrete bridges may collapse due to corrosion, it is ncessary to gain more knowledge about how corrosion on post-tensioning systems affects these structures. This thesis deals with the theory of corrosion and how corrosion affects post-tensioned bridges. Furthermore, it is explained how corroded prestressed tendons can be modeled in the FEM software Abaqus, so that numerical tools can be used to gain more insight into the structural consequences of corrosion on post-tensioned bridges. A study has been made in which various damage scenarios are simulated and the results are compared to find characteristics of the behavior of corroded post-tensioned bridges. Previous studies show that corrosion damages both the reinforcement and the surrounding concrete. When corrosion occurs, the reinforcement loses effective area and changes material properties. The rust product formed by corrosion additionally takes up a larger volume than the original steel, which gives an internal pressure in the concrete and affects the interaction between concrete and reinforcement. The various damage scenarios that are simulated are (1) loss of bond between concrete and reinforcement, (2) reduced tendon area and (3) breakage of tendons. The results indicate that loss of bond in internal areas of the concrete has little or no effect on local and global effects. In the case of reduced tendon area and breakage of tendon, the stress strain distribution locally changes in areas with corrosion damage, while the impact on the global behavior is smaller. In the case of large enough damage, the concrete cracks up and gives a reduction in the stiffness of the bridge structure, due to both a shift in neutral axis and lower contribution to stiffness from concrete. The consequences of corrosion damage are found to be most critical in areas subjected to high bending moments, as well as areas where a damage in few tendons constitutes a large proportion of the prestress in a cross section. Results related to modeling of corrosion-damaged tension reinforcement show that simple methods, such as separate modeling of concrete and reinforcement as well as reduction of element cross-sections, can simulate loss of bonding and loss of tendon area. For simulating tendon breakage, changing the prestress forces or defining interaction properties between concrete and reinforcement can be adapted so that re-anchoring of prestress forces is simulated in an appropriate manner.