Opplagring av stålbjelker i broer

Abstract

Ved beregningene av ei bru benyttes et stort spekter av beregningsmetoder og teori for å oppnå en tilfredsstillende sikkerhet til konstruksjonen. Det lønner seg også økonomisk å bruke ekstra resurser på dimensjonering, samt å finne gode konstruktive løsninger. Dette for å redusere kostnader med byggematerialer eller arbeidstid, men også for å oppnå brukervennlighet og lang levetid.I denne oppgaven er det sett nærmere på stålbjelker og problematikken tilknyttet til indre opplagerpunkt for ei stålbjelkebru med flere spenn. Geometri og lastsituasjon er valgt med utgangspunkt i Blakstadbrua på E39 i Gjemnes kommune. To tverrsnitt, A og B, er beregnet med og uten vertikal stiver. Tverrsnitt A som er likt med Blakstadbrua er i tverrsnittsklasse 3, mens tverrsnitt B har tynnere steg i tverrsnittsklasse 4. Det er utført numeriske simuleringer i elementprogrammet Abaqus som er sammenlignet med håndberegninger etter gjeldende standarder samt Statens vegvesens håndbøker. Komplett eksempel på håndberegninger av tverrsnittskontroll er vist i vedlegg 1. Beregninger og tilhørende teori er beskrevet i eget kapittel.Numeriske simuleringer ble utført i to trinn. Første trinn var en knekkingssimulering hvor aktuelle knekkformer ble funnet. Andre trinn var en kapasitetsberegning som benyttet knekkformene i første trinn som formfeil. Et dekkende utvalg knekkformer ble benyttet og minst gunstige formfeil ble identifisert og benyttet i videre analyse. Kapasiteten til en modell med den minst gunstige knekkformen som formfeil sammenlignet med kapasiteten til en modell med 1. knekkform som formfeil hadde i alle tilfellene en differanse under 2 %. Formfeilene ble alle gitt en maks utbøynings amplitude lik 10 mm, men forskjellige verdier av amplituden ble utprøvd for noen tilfeller. En matematisk helt rett konstruksjon belastet aksialt krever trolig større belastning før knekking opptrer enn en konstruksjon med skjevheter som gir eksentrisitetsmoment. Hvilken type form eller hvor eksakt verdi det er på amplituden som benyttes ser ut til å ha mindre betydning. Blakstadbrua (Tverrsnitt A med stiver) har i følge de numeriske simuleringene ca. 25 % større kapasitet enn funnet ved håndberegningene. Spenningsverdiene fra de numeriske simuleringene og fra håndberegningene viste en differanse hovedsakelig lik 2 %. Resultatene viser også store likheter mellom interaksjonsformlene og spenningsberegningene med differanser mellom 0 % og 8 %. For denne oppgavens tilfeller viste det seg at en ved å tilfredsstille kravene i interaksjonsformlene i praksis også tar hensyn til elastisk kapasitet og at det ikke oppstår store plastiske deformasjoner ved flytning eller brudd i konstruksjonen på grunn av gjentatt flytning i stålet. Om dette gjelder for andre tilfeller enn de beregnet i denne oppgaven er ikke belyst.Tverrsnitt B med stiver viste samme tendens som tverrsnitt A, men med ca. 30 % større kapasitet ved numerisk simulering enn ved håndberegnede interaksjonsformler og tilsvarende differanse i spenningsutnyttelse mellom 0 % og 16 %. Tverrsnitt A uten stiver gikk til brudd ved håndberegninger med ca. 130 % utnyttelse. Tilsvarende geometri og last førte ikke til brudd i FEM-simuleringen med utnyttelse under 95 %. Spenningsresultatene gav noe større differanser mellom simuleringer og håndberegninger med verdier under 40 %. Tverrsnitt B uten stiver viste samme tendens som tverrsnitt A men med større utnyttelse og med differanser under 54 %.Tendensen viser at forskjellene mellom numeriske simuleringer og håndberegninger øker noe ved økende utnyttelse av tverrsnittet, men at håndberegningene ved denne oppgavens tilfeller viser minimum 25 % lavere kapasitet enn FEM-simuleringene. De største forskjellene opptrer for spenninger i tverrsnitt uten stivere. Dette skyldes trolig store deformasjoner som gir omfordeling av krefter i FEM-modellene ved bruddbelastning. Resultatene viser i sin helhet mindre spredning enn det ble antatt at de skulle gjøre før simuleringene startet.Referanselasttilfellet med og uten aksiallast gav nesten like resultater med ca. 1 % differanse. Lasttilfellet med kun lagerlast gav noe større forskjeller (under 10 %) i forhold til de to andre lasttilfellene, men viste ingen klare tendenser. Bruddformene av FEM-modellene virket logiske og var lett gjenkjennelige med bruddformer beskrevet i litteraturen.