Kapasitetskontroll og analyse av etteroppspent bru med redusert spennarmering

Abstract

Kollstraumen bru er ei verna spennarmert bogebru bygd i 1971. Brua er unik med sitt avanserte bæresystem i form av to underliggjande bogar som er bygd opp av etteroppspente kablar. Den karakteristiske oppbygginga av systemet gjev få moglegheiter for omlagring av krefter i konstruksjonen, som kan vera kritisk ved eventuelle brot på spennkablane.

Det er frå inspeksjonar registrert avskalling og armeringskorrosjon på slakkarmering fleire stadar på heile brua. I tillegg er det registrert ei nedbøying av hovudspennet på minst 250 mm og eit tverrgåande riss i brubana over pilaren ved hovudspennet. Desse skadane er vurdert til å ikkje vera kritiske for brua si bæreemne, gjeve at spennsystemet er uskada. Det usikkert om det er tilfelle, så det er difor forsøkt å modellera brua for å kunna analysera konstruksjonen sin oppførsel ved redusert spennarmering.

Brua er modellert ved hjelp av analyseprogrammet Abaqus, og det er teke kapasitetskontrollar i bruks- og brotgrensetilstand. Kontrollane tilseier at brua har god nok aksialkraftkapasitet i strekkbanda og skjærkraftkapasitet i brubanen. Momentkapasiteten er tilstrekkeleg for strekk i både over- og underkant i brubanen og utkragar på tunnellsida. Momentkapasiteten for strekk i underkant i utkragaren på viaduktsida er tilstrekkeleg, medan den i overkant derimot er overskride med ei utnyttingsgrad på 137,9%. Nedbøyinga i bruksgrensetilstand er innanfor kravet, men om den permanente nedbøyinga til brua vert teke i betrakting vil kravet overskridast med ein verdi på 279,3 mm i midtspennet. Spenningane i strekkbanda tilseier at dei ikkje vil risse opp ved kontroll i brotgrensetilstand.

I analysen med redusert spennarmering er det gjeve at den kritiske kapasiteten i brua er aksialkrafta i strekkbanda. Eit eventuelt brot i konstruksjonen vil førekome i strekkbanda etter fjerning av 4 spennkablar i kvart strekkband. Strekkbanda vil risse opp etter fjerning av 2 spennkablar i kvart strekkband. Nedbøyinga er kontrollert i bruksgrensetilstand etter fjerning av 3 spennkablar i kvart strekkband, og resulterer i ei nedbøying på 135,4 mm og 385,3 mm, henhaldsvis utan og med den permanente nedbøyinga teke i betrakting.

Kollstraumen bridge is a protected prestressed arch bridge built in 1971. The bridge is unique with its advanced supporting system in shape of two underlying arches which consist of post-tensioned cables. The characteristic structure of the system results in few possibilities for redistribution of forces in the structure, which can be critical in the event of any damage of the tendons.

Spalling and reinforcement corrosion have been registered from inspections in several areas on the entire bridge. In addition, a deflection of the main span of at least 250 mm and a transverse crack along the bridge deck above the pillar at the main span have been registered. These damages are considered not to be critical for the bridge's bearing capacity, given that the tensioning system is undamaged. It is uncertain whether this is the case, so an attempt has therefore been made to model the bridge in order to be able to analyze the structure's behavior with a reduced area of tendons.

The bridge is modeled using the analysis software Abaqus, and there has been investigations in both Serviceability- and Ultimate Limit State. The inspections state that the bridge has sufficient axial force capacity in the stress ribbons and a shear capacity in the bridge deck. The moment capacity is sufficient at both the upper and lower edge of the bridge deck and at the cantilever on the tunnel side. The moment capacity at the upper edge of the cantilever on the viaduct side is exceeded with a utilization rate of 137.9%, while at the lower edge it is sufficient. The deflection in the Serviceability Limit State is within the requirement, but if the permanent deflection to the bridge is taken into account, the requirement will be exceeded by a value of 279.3 mm in the central span. The tensions in the stress ribbons indicate that they won't crack when investigated in the Ultimate Limit State.

In the analysis with reduced area of tendons, it is obvious that the critical capacity in the bridge is the axial force capacity in the stress ribbons. A possible failure in the construction will occur in the stress ribbons after a removal of 4 tendons in each of the stress ribbons. The stress ribbons will crack after removing 2 tendons in each of the stress ribbons. The deflection is investigated in the Serviceability Limit State after a removal of 3 in tendons each of the stress ribbons, and results in a deflection of 135.4 mm and 385.3 mm, respectively without and with taking the permanent deflection into account.