Estimating and Predicting Dynamic Properties of Stress-laminated Timber Bridges

Abstract

Populariteten til tverrspente limtrebuer har økt den siste tiden grunnet rask byggetid og god tilpasningsevne. Treverk er betraktet som et karbonnøytralt byggemateriale og dermed ansett som et sentralt byggemateriale for å oppnå Norges klimamål om å bli karbonnøytralt innen 2030. Designkriteriet for disse lette, slanke konstruksjonene er hovedsakelig begrenset av bruksgrensetilstanden. Stivheten til ikke-strukturelle komponenter er som regel neglisjert i dynamiske analyser. Det har blitt vist at asfaltdekket påvirker de dynamiske egenskapene til tverrspente limtrebruer. Det er dermed essensielt å nøyaktig forutse asfaltens bidrag for de dynamiske egenskapene for ulike temperaturer. Denne masteren analyserte akselerasjonsdata fra to ulike tverrspente limtrebruer som befinner seg i Raufoss og Brumunddal. Bruene ble eksitert ved bruk av hopptester og modalhammertester. Tidsseriene ble analysert ved bruk av BFD, SSI-Cov og SSI-DD. SSI-metodene er egentlig kun egnet for å analysere hvitt støy, men metodene greide å estimere de dynamiske egenskapene fra modalhammertestene. SSI-Cov ga bedre estimater for egenfrekvenser og dempingsforhold, men metoden strevde med energidissipasjonen mellom modalformene til nærliggende moder. En Python-kode som modellerte, kjørte og hentet ut modalformer og egenfrekvenser fra de modellerte tverrspente limtrebruene i ABAQUS ble implementert. ABAQUS-modellen estimerte det dynamiske bidraget til asfalten som en funksjon av temperatur og lastfrekvens. Stivheten forårsaket av det kontinuerlige asfaltlaget ble modellert som en rotasjonsstivhet. Rotasjonsstivheten ble optimert for å minimere feilen til bruenes første egenfrekvenser. Modellen ga gode estimater for egenfrekvensene samt gode estimater for modalformer. Modalformene ble nesten ikke påvirket av rotasjonsstivheten ettersom opplagerkantene ikke deformerte seg lineært. Lineær deformasjon av opplagerkantene var forventet.

Stress-laminated Timber bridges have recently grown in popularity due to their speed of manufacture and great adaptability. Timber is considered carbon-neutral and is therefore considered an essential building material in Norway’s mission to achieve carbon-neutrality by 2030. Design criteria of these lightweight, slender structures are mainly governed by serviceability criteria. Stiffnesses from non-structural components are typically neglected during dynamic analysis. The asphalt pavement has been proven to greatly influence the dynamic properties of the Stress-laminated Timber bridges. Accurately predicting the asphalt’s contribution for different temperatures is therefore essential to accurately predict the dynamic properties of the bridges. This thesis analyzed acceleration data from two stress-laminated timber bridges located in Raufoss and Brumunddal, respectively. The bridges were excited by Jumping Tests and Modal Hammer Tests. These data sets were analyzed using BFD, SSI-Cov, and SSI-DD. The SSI methods are only meant to analyze white-noise data. However, the methods accurately managed to predict the dynamic properties from the Modal Hammer Test. SSI-Cov yielded superior estimates for natural frequencies and damping ratios but struggled with the energy dissipation between mode shapes for closely spaced modes. A Python script that modeled, ran, and extracted estimated mode shapes and natural frequencies of Stress-laminated Timber bridges in ABAQUS was implemented. The material properties of the asphalt pavement were estimated as a function of temperature and loading frequency. The stiffness caused by the continuous layer of asphalt, was modelled as a rotational stiffness in ABAQUS. The rotational stiffness was optimized to minimize the error for the bridges’ first natural frequency. The results yielded accurate predictions of natural frequencies and mode shapes. The mode shapes were, however, hardly affected by the rotational stiffness. This was caused by the boundary edges of the ABAQUS model being distorted.