Styrkeberegning av hengebrutårn av armert betong: Stivhetsberegning og kontroll av Hardangerbrua i brudd- og bruksgrensetilstand

Abstract

Oppgaven handler om kontroll av Hardangerbrua i brudd- og bruksgrensetilstand. Hardangerbrua er en hengebru i Vestland fylke. Total lengde på brua er 1380 meter og med et hovedspenn på 1310 meter har Hardangerbrua det lengste bruspennet i Norge. Det ene brutårnet er 201.5 meter høyt, og er den høyeste betongkonstruksjonen på Fastlands-Norge.

Brua har blitt kontrollert for flere lastkombinasjoner, der vind, trafikk, egenlast, og forspenning er kreftene som blir betraktet. Beregningsprogrammet ABAQUS blir brukt for analyser i både brudd- og bruksgrensetilstand.

Det er gjort stivhetsberegning av tårnbenene ved bruk av Excel-program. Excel-programmet tar inn tverrsnittsdata, aksialkrefter og moment for hver støpeetappe, og gir tilbake bruddmoment, spenningstilstand, krumning og E-modul ved gitt lasttilfelle. Programmet ble verifisert og resultatene har maksimalt avvik på 6.4% sammenlignet med analytiske metoder.

I bruddgrensetilstand blir stivhet og momentkapasitet beregnet for ferdig konstruert bru, og for brutårn under byggefasen. Utnyttelsesgraden med hensyn på moment for mest kritiske snitt er 97.2%. Beregnet E-modul i bruddgrensetilstand ligger hovedsakelig i området 30-60% av Ecm, men enkelte støpeetapper får beregnet E-modul på kun 21-25% av Ecm. Momentkapasitete1n til riglene er beregnet med en forenklet metode og utnyttelsesgraden er 59%, 93.5% og 101.7% for planums-, midt- og topprigel.

Stivhet og spenningstilstand for tårnbenene blir beregnet for ferdig konstruert bru i bruksgrensetilstand. Rissvidder, deformasjoner og spenninger er kontrollert opp mot Eurokode 2. Beregnet spenningstilstand viser at hele tårnet er i trykk. Største trykkspenning i betongen er 16.6 MPa, som er lavere enn grenseverdiene for spenningsbegrensning. Siden hele tårnet er i trykk vil det ikke dannes riss på grunn av strekk, og rissviddebegrensning er dermed godkjent. Deformasjoner av brutårnet er små i forhold til størrelsen. Utbøyning i topp av brutårnene er kun 25 cm, og lokale deformasjoner vil ikke forhindre trafikken.

This thesis is about verification of the Hardanger-bridge in ultimate and serviceability limit states. The Hardanger-bridge is a suspension bridge in the county of Vestland. The total length of the bridge is 1380 meters and with a main span of 1310 meters, the Hardanger bridge has the longest span in Norway. The tallest bridge tower is 201.5 meters high and is the tallest concrete structure in mainland Norway.

The bridge has been checked for several load combinations, where wind, traffic, self load, and prestress are the forces being considered. The finite element program ABAQUS is used for analyzes in both ultimate and serviceability limit states.

Stiffness calculations of the tower legs have been made using Excel. The Excel program require cross-sectional data, axial forces and bending moment for each casting section and returns fracture moment, stress distribution, curvature and Young's modulus for a given load case. The program was verified, and the results have a maximum deviation of 6.4% compared to analytical methods.

In the ultimate limit state, stiffness and bending moment capacity are calculated for the bridge after construction is completed and for the towers during the construction stage. The utilization rate for bending moment for the most critical sections is 97.2%. Estimated Young's modulus in ultimate limit state is mainly in the range 30-50% of $ Ecm $, but some casting sections get calculated Young's modulus of only 21-25 % of Ecm. The bending moment capacity of the cross beams is calculated using a simplified method and the utilization rate is 59%, 93.5% and 101.7% for the bottom, center, and top cross beam.

The stiffness and stress states of the bridge towers are calculated for the post construction stage in serviceability limit state. Cracks, deformations and stresses are checked against Eurocode 2. Calculated stress shows that the entire tower is in compression. The highest compressive stress in the concrete is 16.6 MPa, which is lower than the limit values for stress limitation. Since the entire tower is in compression, cracks will not be formed due to tension, and the crack width restriction is thus approved. Deformations of the bridge towers are small in size. Deflection at the top of the bridge towers is only 25 cm and local deformations will not prevent traffic.