Evaluation of Externally Reinforced Bridge Exposed to Alkali-Silica Reactions

Abstract

Det er i denne oppgaven utført en tilstandsvurdering av Elgeseter Bru med et fokus på lastvirkninger av alkali-silika reaksjoner og utvendig fiberforsterkning av bruen. Elgeseter Bru er en 200 m bjelkebru i Trondheim som består av ni spenn. Kjerneprøver av betongen har vist at bruen er utsatt for ASR ekspansjon. Omfattende sprekker er observert i kritiske snitt. Disse er forsterket med utvendig fiberforsterkning (CFRP).

ASR er en kjemisk reaksjon i betongen som oppstår av at alkali-reaktivt aggregat reagerer med alkali i sementen. Denne prosessen danner en ekspanderende gel som leder til en ekspansjon i betongen. Det er estimert at Elgeseter Bru har forlenget seg med 200 mm siden den ble bygget. Denne oppgaven inneholder en gjennomgang av de ytterlige kreftene som oppstår i bruen på grunn av ekspansjonen. De originale lastvirkningene er inkludert i kapasitetsberegningen. Disse er funnet i Stemland og Nordhaug (2018) sin masteroppgave.

To lineær-elastiske FE modeller ble etablert for å evaluere tilleggskreftene fra ASR ekspansjonen. Modell 1 består av bjelkeelementer, mens modell 2 er bygd opp av volumelementer.

For å evaluere kapasiteten i bruddgrensetilstanden i de forsterkede delene på Elgeseter Bru, er det brukt dimensjoneringsregler fra Fib Bulletin 90 (2019). Materialet som er brukt er karbonfiberforsterkning som er et sterkt og lett komposittmateriale. Hensikten er å øke både moment- og skjærkapasitet.

Det mest på kjente snittet opptrer i et av de originale momentnullpunktene i den uforsterkede delen av innerbjelken. Utnyttelsesgraden her er 2.91 i modell 1 og 3.02 i modell 2. CFRP forsterkningen bidrar til å redusere utnyttelsen av kritiske momentnullpunkt med nesten 70%. En vurdering av heftbrudd mellom CFRP og betongen viser derimot at alle forsterkede snitt i bruen er kritiske. Ved å inkludere de opptredende aksialkreftene sammen med bøyemomentet er det kun snittene over støttene som har en akseptabel utnyttelsesgrad.

This master thesis a thorough condition assessment of Elgeseter Bridge has been performed focusing on the effect external reinforcement has on ASR exposed concrete. Elgeseter bridge is a 200 m long beam bridge placed in Trondheim consisting of nine spans. Core samples have shown harmful alkali-silica reactions (ASR) in the bridge. Severe cracks are observed in critical sections and are strengthened with externally bonded fiber reinforcement.

ASR is a chemical reaction occurring in concrete made of alkali-reactive aggregates reacting together with alkali in the cement. This process forms a swelling gel which leads to an expansion of the concrete. Elgeseter Bridge is estimated to have elongated 200 mm since construction. This thesis contains an assessment of the additional imposed forces due to this elongation. The resulting forces are included in the original decisive load situation for Elgeseter bridge found by Stemland and Nordhaug (2018) in a previous master thesis.

Two linear elastic FE models were established to evaluate the additional forces in the bridge due to ASR expansion. Model 1 consists of beam and truss elements, whereas model 2 is a volume model of solid elements.

To evaluate the capacity in ULS of the strengthened parts of Elgeseter Bridge, design rules from Fib Bulletin 90 (2019) are considered. The material used is carbon fiber reinforcement (CFRP) which is a strong and light composite material. The purpose is to increase both moment and shear capacity.

The most utilized section is in an unstrengthened, originally zero moment section with a bending moment utilization of 2.91 in model 1 and 3.02 in model 2. CFRP strengthening reduced the utilization ratio with about 70% in critical sections. Though, regarding debonding issues of the CFRP, all strengthened sections were found to be insufficient. Only the support sections have an acceptable utilization ratio when considering axial forces combined with bending moment.