Assessment of Elgeseter Bridge Suffering from Alkali-Silica Reactions: Analysis and capacity verification of the bridge deck with finite element shell models

Abstract

This master's thesis is a condition assessment of the plates in Elgeseter Bridge, focusing on the effects of alkali-silica reactions (ASR). Elgeseter Bridge is a 200 m long bridge with 9 spans and non-tensioned reinforcement. Core samples have revealed comprehensive ASR, and several cracks have been observed in both beams and columns.

ASR is a chemical reaction in concrete occurring when alkali-reactive aggregates react with alkaline pore water. The reaction product, a swelling gel, causes a volumetric expansion of the concrete. Elgeseter Bridge is estimated to have elongated 180 mm since it was built in 1951. Local variations in the aggregate and different access to humidity have caused a varying degree of ASR within the structure. Both the global elongation and the varying expansion between components introduce additional forces in the bridge.

In this study, dimensioning forces are obtained by a linear elastic finite element analysis (FEA) in Abaqus. Elgeseter Bridge is modelled with shell elements to describe the effects of simultaneously acting forces. The utilization of critical shell sections is assessed in the ultimate limit state through a capacity control using the Iteration Method.

According to the capacity control, the most critical sections are located in the column axes in the middle of the plate between the inner and outer beams. If yielding in the reinforcement is considered as a failure criterion, the utilization ratio is 5.26 in a typical column axis and 6.25 in the northernmost column axis. The reinforcement is, in general, highly utilized in sections along column axes because of significant tensile forces.

Yielding in the reinforcement is detected in 17 of the 32 controlled sections. Among these, 14 sections exceed their capacities if a failure strain of 10‰ in the reinforcement is used as the failure criterion. The capacity control reveals that 9 sections reach failure in the concrete just before failure strain is obtained in the reinforcement.

Det er i denne oppgaven utført en tilstandsvurdering av bruplaten i Elgeseter bru med fokus på lastvirkningene fra alkalireaksjoner. Elgeseter bru er en slakkarmert betongbru på 200 m som består av 9 spenn. Kjerneprøver av betongen har vist at brua er utsatt for omfattende ASR. Flere store sprekker er observert både i bjelker og søyler.

ASR er en kjemisk reaksjon i betongen som oppstår når alkali-reaktivt tilslag reagerer med alkalisk porevann. Reaksjonsproduktet er en alkaligel som sveller under vannabsorpsjon og fører til en ekspansjon i betongen. Det er estimert at Elgeseter bru har forlenget seg med 180 mm siden den ble bygget i 1951. Lokale variasjoner i tilslaget i betongen og ulik tilgang på fuktighet har ført til variende grad av ASR i konstruksjonen. Både den globale forlengelsen og ulik ekspansjon mellom konstruksjonsdeler fører til tilleggskrefter i brua.

Det er utført en lineær-elastisk elementanalyse i Abaqus for å bestemme de dimensjonerende lastvirkningene. Elgeseter bru er modellert med skall-elementer for å ivareta lastvirkningen i flere retninger samtidig. Utnyttelsesgrader for kritiske snitt er beregnet i bruddgrensetilstand ved bruk av Iterasjonsmetoden.

De mest kritiske snittene er å finne i midtplata mellom ytter- og innerbjelker i søyleaksene, ifølge kapasitetsprogrammet. Ved bruk av flytning i armeringen som bruddkriterie er utnyttelsesgradene 5.26 i en typisk søyleakse og 6.25 i den nordligste søyleaksen. Lengdearmeringen er generelt høyt utnyttet langs søyleaksene som følge av store strekkrefter.

Det oppstår flytning i armeringen for 17 av de 32 kontrollerte snittene. Ved å betrakte en bruddtøyning på 10‰ i armeringen som bruddkriterie, vil 14 av disse snittene få overskridelse i kapasitet. Kapasitetskontrollen viser at 9 snitt får brudd i betongen før bruddtøyning i armeringen er oppnådd.