| dc.description.abstract | Skader fra alkalireaksjoner (AR) i betongkonstruksjoner har vært kjent i Norge siden starten av 1990-tallet. Siden da har det blitt dokumentert et stadig økende antall konstruksjoner med slike skader. Det har derfor oppstått et behov for å håndtere eksisterende betongkonstruksjoner med skader fra alkalireaksjoner. I denne oppgaven er det valgt å se nærmere på Stavne jernbanebru og i hvilken grad alkaliereaksjoner kan påvirke kapasiteten til én av betongpilarene.
Alkalireaksjoner er en kjemisk-fysisk nedbrytningsmekanisme i betong der alkalireaktive bergarter i tilslaget reagerer med alkalier i sementen og danner en gel som sveller ved vannabsorbsjon. Dette fører til ekspansjon av betongen og det oppstår mikrosprekker. Tegn på alkalireaksjoner kan være krakeleringsriss i overflaten, sprekker parallelt med lastretningen og lukking av fuger grunnet ekspansjon av konstruksjonsdeler. Den eneste sikre metoden for å identifisere alkalireaksjoner er med en strukturanalyse. Da tas det kjerneprøver av betongen og det fremstilles planslip og tynnslip. Disse kan studeres i mikroskop etter tegn på blant annet gel, riss, utfellinger og reaksjonsrender. Det kan også tildannes sylindre til SDT-prøving for å si noe om de mekaniske egenskapene til betongen. En alkaliskadet betong vil gjerne ha en høy SDI-verdi i tillegg til redusert E-modul og trykkfasthet. Det er utført kjerneboring i en av pilarene med etterfølgende SDT. SDI-verdiene ligger i gjennomsnitt på 0,30 og E-modulen for sylinderne ligger i gjennomsnitt på 60 % av referanse-E-modulen.
Stavne bru er ei fagverksbru i stål understøttet av pendelpilarer i betong på betongfundamenter. Bane NOR har mistanke om betydelige skader fra alkalireaksjoner i landkar, fundamenter og pilarer. Stavne bru ble introdusert til det pågående forskningsprosjektet MESLA i høsten 2022. I denne oppgaven belyses effekten alkalireaksjoner kan ha på én av betongpilarene. Dette gjøres ved å anta ekspansjonsverdier fra alkalireaksjonene, regne om til ekvivalente temperaturlaster, sette dem på en beregningsmodell i analyseprogrammet ROBOT og se på lastvirkningene i pilaren. I samråd med veileder er det antatt en ekspansjon på 0,7 ‰ i overkant og 0,4 ‰ i underkant av tverrsnittet.
For å belyse effekten som alkalireaksjoner har på kapasiteten av pilaren, må det først foretas en kapasitetskontroll av pilaren med de opprinnelige lastvirkningene. Det innebærer å kontrollere søylene for kombinert aksiallast og moment i tillegg til biaksial bøyning og å kontrollere tverrbjelkene for bøyemoment. I kapasitetskontrollen inngår laster fra egenlast, toglast, vindlast og temperaturlast. Lastkombinasjonen der vindlast dominerer gir størst opptredende moment i pilaren mens lastkombinasjonen der trafikklast dominerer gir størst opptredende aksialkraft.
Kapasitetskontrollen med de opprinnelige lastene viser tilstrekkelig kapasitet både med og uten AR-effekter. Krefter fra AR-effektene motvirker de opprinnelige lastvirkningene i flere av de studerte snittene. Til tross for det øker utnyttelsen av kapasiteten for de antatte AR-ekspansjonene. Dette skyldes en antagelse om at trykkfastheten reduseres med omtrent 45 % i opprissede trykkfelt. Utnyttelsesgraden for kombinert moment og aksialkraft i søylen øker fra omtrent 0,40 til 0,55 og utnyttelsesgraden for biaksial bøyning øker fra omtrent 0,50 til 0,61. Utnyttelsesgraden for bøyemoment i tverrbjelken øker fra 0,75 til 0,83. Dersom det antas større AR-ekspansjoner vil det i liten grad medføre en høyere kapasitetsutnyttelse. Dette skyldes at den primære effekten av AR i Stavne bru er redusert trykkfasthet. | |
| dc.description.abstract | Damage from alkali-silica reactions (ASR) in concrete structures has been known in Norway since the early 1990s. Since then, an increasing number of structures with such damage have been documented, creating a need to address existing concrete structures affected by ASR. In this study, the focus is on Stavne Railway Bridge and the extent to which ASR can affect the capacity of the concrete pillars.
Alkali-silica reactions are a chemical-physical degradation mechanism in concrete, where alkali-reactive aggregates in the aggregate react with alkalis in the cement, forming a gel that swells upon water absorption. This leads to expansion of the concrete and the formation of micro-cracks. Signs of alkali-silica reactions can include surface cracking, cracks parallel to the loading direction, and closure of joints due to expansion of structural elements. The only reliable method to identify alkali-silica reactions is through structural analysis, which involves taking core samples of the concrete and preparing plane and thin sections. These can be examined under a microscope for signs of gel, cracks, leaching, and reaction rims. Cylinders can also be prepared for Stiffness Damage Testing (SDT) to assess the mechanical properties of the concrete. Alkali-damaged concrete typically reveals high SDI values, as well as reduced modulus of elasticity and compressive strength. In one of the pillars, core drilling was performed, followed by SDT testing. The average SDI values were found to be 0.30, and the modulus of elasticity for the cylinders is 60 % of the reference modulus of elasticity.
Stavne Bridge is a steel truss bridge supported by concrete pillars on concrete foundations. Bane NOR suspects significant damage from alkali-silica reactions in the abutments, foundations, and pillars. Stavne Bridge was introduced into the ongoing research project MESLA in the fall of 2022. This master thesis aims to highlight the effect that alkali-silica reactions can have on one of the concrete pillars. This is done by assuming expansion values from the alkali reactions, converting them into equivalent temperature loads, applying them to a computational model in the analysis program ROBOT, and examining the load effects on the pillar. In consultation with my supervisor, an expansion of 0.7 ‰ at the top and 0.4 ‰ at the bottom of the cross-section is assumed.
To assess the effect of alkali-silica reactions on the pillar's capacity, a capacity check must first be performed with the original load effects. This involves checking the columns for combined axial load and bending moment, as well as bi-axial bending moments, and also checking the crossbeams for bending moments. The capacity check includes loads from self-weight, train load, wind load, and temperature load. The load combination dominated by wind load results in the highest bending moments, while the load combination dominated by traffic load results in the highest axial load.
The capacity check with the original loads shows sufficient capacity both with and without the effects of ASR. Forces from the ASR effects counteract the original load effects in several of the analysed sections. However, the utilization of capacity increases for the assumed ASR expansions. This is due to the assumption that compressive strength is reduced by approximately 45 % in the compressed regions. The utilization ratio for combined bending moment and axial load in the column increases from approximately 0.40 to 0.55, and the utilization ratio for bi-axial bending moments increases from approximately 0.50 to 0.61. The utilization ratio for bending moment in the crossbeam increases from 0.745 to 0.832. Assuming larger ASR expansions would have little impact on increasing the capacity utilization, as the primary effect of alkali-silica reactions is reduced compressive strength. | |
