| dc.description.abstract | Halsafjorden er en av fjordene langs E39, der den nåværende fergen skal byttes ut med en mer effektiv krysningsløsning. Denne masteroppgaven undersøker alternativet som tar for seg en hengebru i ett spenn der begge tårnene er plassert på land. Grunnet fjordens størrelse vil brua ha et hovedspenn på 2050 meter og bli verdens lengste hengebru. Fokuset med oppgaven vil være rettet mot å utføre en statisk analyse av tårnene ved bruk av slakkarmering. Videre er målet å undersøke om vertikal spennarmering i tårnene er gunstig eller ikke.
Hardagerbrua er i dag den lengste hengebrua i Norge. På grunn av geologiske og geografiske likheter danner Hardangerbrua grunnlaget for både geometri og beregninger i denne oppgaven. Med en økende lengde på spennet blir den ønskede geometrien funnet ved bruk av skaleringsteori av Gimsing og Georgakis. Videre blir betongfasthetsklassen økt fra B45 til B90. På bakgrunn av dette kan brutårnets tverrsnitt bli redusert fra en kvadratisk til rektangulær form og veggtykkelse kan reduseres med 25%. De ytre kreftene som påvirker brua er egenvekt, vind- og trafikklast. I henhold til Eurokode 0 og bruddgrensetilstand blir lastkombinasjoner beregnet for å finne de kritiske lastene som virker på brua.
Elementmetodeprogrammet Abaqus blir brukt i denne masteroppgaven til numerisk analyse av tårnene. To modeller blir utviklet, et frittstående tårn og en global modell som inkluderer hele brua. Under analysen er det tre lastkombinasjoner som er relevante for oppgaven. Den første lastkombinasjonen påvirker det frittstående tårnet, utsatt for både egenvekt og vindlast i bruas lengderetning. Både den andre og den tredje lastkombinasjonen påvirker den globale modellen av brua med egenvekt, trafikklast og vinslast som påvirker brua både på langs og på tvers. Videre tar programmet hensyn til en lineær elastisk materialoppførsel og geometriske ikke-lineære effekter. For å ta hensyn til ikke-lineære materialegenskaper benyttes et excel program. Programmet tar utgangspunkt i lamellemetoden for å beregne momentkapasitet til et tverrsnitt for ulike bøyestivheter. Dette er modifisert i denne masteroppgaven for å ta hensyn til en kombinasjon av slakk- og spennaerming i tverrsnittet.
Til slutt blir kreftene fra abaqusmodellen hentet ut og benyttet til å bestemme den nødvendige armeringsmengden i tårnene. Lamelleprogrammet tar hensyn til samtidig virkning av moment og aksialkraft. Mengden slakkarmering er optimalisert i forhold til utnyttelsesgrad og stivhet i tårnene. Skjær, torsjon og minimumsarmering for tårnene, inkludert riglene er beregnet i henhold til Eurokode 2. For å undersøke effekten av spennarmering blir først 50% av slakkarmeringen byttet ut med spennarmering. Deretter blir spennarmeringsarealet redusert med yttligere 50% for videre evaluering. Resultatene viser at spennarmering øker momentkapasiteten i de frittstående tårnene. Derimot reduseres momentkapasiteten i den globale modellen av brua på grunn av store trykkrefter i tårnene. Basert på dette kan det konkluderes med at spennarmering ikke er gunstig i brutårnene, men at det kan bli brukt for høye slange søyler med mindre trykkrefter. | |
| dc.description.abstract | Halsafjorden is one of the fjords along the road E39, where the ferry crossing are planned to be exchanged by a more efficient solution. The thesis investigates the alternative of a suspension bridge in one span with each tower on land. Hence, the span of the bridge will have a total length of 2050 meters, making it the world's longest. Initially, the focus will be directed towards a static analysis of the concrete towers, using ordinary reinforcement. Henceforth, the thesis aims to investigate whether vertical prestressed reinforcement along the height of the towers is favourable or not.
Hardangerbrua is currently the longest suspension bridge in Norway. Due to geological and geographical similarities, the design of Hardangerbrua forms the basis for the Halsafjorden bridge. However, the span of Halsafjorden is substantially longer, such that the scaling theory by Gimsing and Georgakis is implemented to find the desired geometry of the bridge components. In addition, the compressive strength of concrete is increased from 45 to 90 MPa. For this reason, the cross-section area of the tower columns is reduced from squared to rectangular. In addition, the wall thickness is reduced by 25%. The external loads that influence the bridge are the self-weight, the wind and traffic loads. According to Eurocode and the ultimate limit state, load combinations are implemented to find the critical forces acting on the structure.
The finite element software Abaqus is used to perform a numerical analysis of the bridge. Accordingly, both a free-standing tower and the complete bridge are modelled. During analysis, three load combinations are applied. The first load combination influences the free-standing towers, subject to both self-weight and wind forces towards the length of the bridge. Both the second and third load combinations affect the complete bridge. Thus, wind forces in respectively the longitudinal and the transverse direction, in addition to self-weight and traffic load. The program accounts for linear material behaviour and non-linear geometrical effects. An excel program based on the method of lamellae is used to account for non-linear material effects. It is modified in the thesis to account for the use of both ordinary and prestressed reinforcement.
Finally, the forces from the Abaqus model is extracted and used to determine the necessary reinforcement for the bridge. The towers are subject to a combination of axial forces and moments, which is accounted for by the lamellae program. The ordinary reinforcement in the towers is optimized regarding the utilization ratio and the bending stiffness. Shear, torsion and minimum reinforcement for the towers, including the transverse beams, are calculated according to Eurocode 2. To investigate the effect of prestressed reinforcement, initially, 50% of the ordinary reinforcement area is replaced with prestressed reinforcement. Henceforth, the prestressed reinforcement area is reduced by 50% for additional evaluation. Results show that prestressed reinforcement increases the moment capacity for the free-standing towers. However, the moment capacity of the complete bridge is reduced, mainly because of large compression forces. Based on this, vertical prestressed reinforcement is not recommended in the bridge towers but could be used for other tall, slim structures imposed by smaller axial forces. | |
