Beregninger på eksisterende hengebru med betydelig skadeomfang

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler vurderinger av hvordan skader fra Alkali Silika Reaksjoner (ASR), påvirker Tjeldsundbruas nåværende tilstand og kapasitet. Beregningene i bruddgrensetilstand vektlegger virkningene fra ASR på brutårn og brudekket i hengespennet. Grunnet begrenset informasjon på ASR-utviklingen i konstruksjonen, er det benyttet antatte ASR-ekspansjoner, basert på erfaring og observasjoner.

Tjeldsundbrua er en fagverksbjelkebru med to kjørefelt, som ble ferdigstilt i 1967. Konstruksjonen er en del av E10 og spenner fra Hinnøya i vest, til Steinsland på fastlandet i øst. Viaduktene som kobler bruen til land på hver side, består av et system med rektangulære og sirkulære betongsøyler, som er monolittisk støpt til overbygget. Mellom viaduktene står ett hengespenn fordelt på ett hovedspenn på 290 meter, og to sidespenn på 95 meter. Bruens totale lengde er 1007 m.

Tilstandsbeskrivelsen har benyttet flere rapporter og inspeksjoner som beskriver skader, som antyder at store deler av konstruksjonen er påvirket av ASR. I brutårnene er dette spesielt tydelig i rigler og vindkryss, der krakelering dekker hele betongoverflaten. Flere kjerneprøver har også påvist mikrosprekker i betongstrukturen, og observasjoner av ASR-gele i riss og luftporer. Vertikale riss i viaduktsøyler, indikerer videre fastholdelse av utilsiktede utvidelser i overbygget, som følge av ASR.

Det er benyttet to beregningsmodeller for beregning av lastvirkninger på brukonstruksjonen. Begge modellene er modellert i FEM-programmet Robot Structural Analysis. Modellen av hengespennet omfatter beregning av de globale lastvirkningene og tar hensyn til eventuelle geometriske feil i brukonstruksjonen. Rammemodellen av tårnkonstruksjonen har som hensikt å undersøke hvordan eksterne laster og ASR-ekspansjoner, påvirker brutårnet. I modellene er det benyttet en redusert bøyestivhet som tar hensyn til betongens ikke-lineære tøyningsforhold, ettersom tverrsnittet lastes til brudd. Resultatene i modellene sammenlignes med kapasitetsberegningene, som er basert på gammel betongstandard, NS 3473.

Resultatene viser at ASR tydelig påvirker konstruksjonens strukturelle oppførsel, med en økning av krefter i flere områder. Det største momentbidraget fra ASR forekommer ved søylefoten til brutårnet med en økning 150 %. Beregningene viser likevel at det er tilstrekkelig kapasitet i alle undersøkte snitt i tårnsøylene, vindkryss og brudekket. I riglene er det derimot høy kapasitetsutnyttelse eller overskridelse blant annet i overgangen mot tårnsøylen, både før og etter man tar hensyn til ASR-virkninger. Dette er ikke nødvendigvis kritisk for konstruksjonen, men kan føre til sprekker og opprissing av betongen. I en av de vurderte tilstanden er det også 20% kapasitetsoverskridelse i underkant av midtrigelen.

Basert på vurderingene gjennomført i denne oppgaven, er det ingen umiddelbar fare for strukturell kollaps av konstruksjonen. Grunnet kapasitetsoverskridelsen i midtrigelen, bør det likevel gjennomføres tiltak for å begrense oppbygging av strekkspenninger og hindre rissutvikling. Det oppfordres også til mer nøyaktige undersøkelser av ASR-tilstanden, for å danne et bedre grunnlag for vurdering av hengespennets nåværende tilstand.

This master thesis evaluate how damage from Alkali-silica Reactions (ASR), impact the current condition and structural capacity of Tjeldsundbrua. The calculations in ultimate limit state, emphasizes on how ASR influence the towers and the bridge deck. The ASR expansions applied in this thesis, is estimated based on experience and observations, due to limited information on the ASR development in the structure.

Tjeldsundbrua is a combined suspension and concrete beam bridge, that was opened in 1967, supporting a roadway with two lanes. The structure is part of the E10 road network spanning from Hinnøya to Steinsland. The viaducts connecting the bridge to the shoreline, consist of a system of rectangular and circular columns cast into the superstucture. The suspension part is situated between the viaducts and is divided into a main span of 290 meters, and two side spans of 95 meters each. The total length of the bridge is 1007 meters.

Multiple reports and inspections that highlights many instances of ASR related damage, were used in the evaluation of the bridge condition. Instances of crazing are visible in the tower bracing system covering the entire concrete surface. Investigation of numerous core samples has further detected ASR gel in cracks and airvoids. Vertical cracking in the viaduct columns also indicate ASR, because of restraint of the expanding bridge deck.

Two calculation models have been used to calculate the load effects on the bridge structure. Both models were assembled in the finite element program Robot Structural Analysis. The suspension bridge model covers global load calculations and considers geometrical defects in the structure. The purpose of the frame model is calculation on external loading and how ASR influence the load bearing capacity of the tower. Both models utilize bending stiffnesses, that take into consideration the non-linear strain-stress relation of concrete, as the section is loaded until collapse. The results are compared to the load bearing capacity, calculated from the old concrete standard, NS 3473.

The results indicate that ASR clearly contribute to the loading on the structure, with increased forces in several areas and sections. The largest bending moment contribution from ASR, is situated at the tower base with an increase of 150 %. Calculations do however, yield sufficient capacity in all sections considered in the tower, cross-bracing and road deck. The crossmembers spanning between the tower columns, do however experience high utilization or exceeded capacity in the column connection. This isn’t necessarily critical for the structure, but may lead to cracking of the concrete. One of the load situations, results in a 20 % exceeding capacity, in the main reinforcement situated in the middle crossmember.

No immediate danger of collapse of the structure, is to be expected, based on the assessment in this thesis. However, it should be implemented measures to restrain tensile stresses in the middle crossmember, to limit development of cracking. Further investigation of the ASR development, should be considered for a more exact evaluation of the current condition of the structure.