Beregning av jernbanebru utsatt for alkalireaksjoner

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler konstruktive virkninger av alkalireaksjoner på en slank betongpilar i Stavne bru. Oppgaven undersøker brupilarens tilstand og kapasitet i bruddgrensetilstand, og sammenligner resultatene med og uten alkalireaksjoner. Beregningene tar utgangspunkt i eurokodene, Bane NORs Tekniske regelverk og Statens vegvesens håndbøker. Pilaren er modellert i FEM-programmet Robot Structural Analysis. Dimensjonerende lastvirkninger beregnes manuelt, i tråd med lastkombinasjoner fra NS-EN 1990. Resultatene er basert på en antatt lineær alkali-ekspansjon i konstruksjonen.

Stavne bru er en 186 m lang jernbanebru fra 1956, som krysser Nidelva i Trondheim. Ved inspeksjon av brua ble det oppdaget betydelige skader på stålfagverket, fundamentene og pilarene. Bruas tilstand er vurdert på bakgrunn av inspeksjoner og rissviddemålinger gjort i felt, samt SDT av borekjerner i laboratoriet. Det er observert grove riss og kalkutfellinger på pilarens overflate. Utfelt alkaligel er funnet i flere av kjerneprøvene. Resultatene fra SDT tyder på at det finnes mikroriss i betongen. Kjerneprøvene avdekket langsgående riss i tverrbærerne, noe som kan gi en kritisk reduksjon av trykkfastheten i betongen.

Resultatene fra bruddgrensekontrollen viser at momentkapasiteten i tverrbærerne er overskredet. Kritisk snitt oppstår i overgangen mellom tverrbærer og pilarben. To av tverrbærerne har en momentutnyttelse på 107% og 139%, uten påvirkning fra alkalireaksjoner. Ekspansjon fra alkalireaksjoner øker utnyttelsesgraden til henholdsvis 121% og 143%. Det er tilstrekkelig skjærkapasitet i tverrbærerne og dimensjonerende skjærkraft antas å være upåvirket av ekspansjonen. Nedre tverrbærer får tvangskrefter i trykk på grunn av ekspansjonen, men lasten overskrider ikke trykkapasiteten.

Momentkapasiteten for pilarbena er tilstrekkelig ved enaksial bøyning. Når det gjelder biaksial kontroll med lineær interaksjon, oppnår pilarbenet en utnyttelse på 98%, uten påvirkning fra alkali-ekspansjon. Med alkalireaksjoner reduseres utnyttelsesgraden med 1%. For biaksial bøyning, og bøyning om svak akse i pilarbena, har alkalireaksjoner minimal innvirkning på utnyttelsesgraden. For bøyning om sterk akse er den største økningen i moment på 10%. Endringen i aksialkraft i pilarbena er tilnærmet neglisjerbar.

This master thesis seeks to assess how alkali-silica reactions influence the structural capacity of a concrete pillar in Stavne bru. The report investigates the current condition of the pillar and its capacity in the ultimate limit state and compares the capacity utilization with and without the effect of alkali-silica reactions. The pillar is modelled using the finite element program Robot Structural Analysis. The design loads are determined by manually combining the loads according to NS-EN 1990. The calculations are based on the Eurocodes, Technical Regulations from Bane NOR and manuals from Statens vegvesen. The results are based on assumed values of the expansion due to the alkali-silika reactions in the structure.

Stavne bru is a 186 m long railway bridge from 1956, that crosses the river Nidelva in Trondheim. Inspection of the bridge uncovered considerable damage to the steel truss, foundations, and pillars. The condition of the bridge pillars is evaluated based on visual inspection and crack width measurements, in addition to SDT of drilled concrete cores. Severe cracking and lime leaching can be observed on the concrete surface. The reaction product from alkali-silica reactions, a hygroscopic gel, is found in several of the concrete cores. The results from the SDT indicates the existence of internal micro cracks in the concrete. The concrete cores revealed longitudinal cracks in the crossbeams, which can result in a critical reduction of the compressive strength in the concrete.

The results from the ultimate limit state control shows that the moment capacity in the crossbeams is exceeded. Critical sections occur in the connection between the crossbeams and the columns. Two of the crossbeams have a moment utilization of 107% and 139%, without considering the effects of alkali-silica reactions. The utilization increases to 121% and 143%, respectively, when alkali-silica reactions are accounted for. The shear capacity of the crossbeams is sufficient, and the design shear force is assumed unaffected by the expansion. The lower crossbeam experiences compressive forces due to the expansion, but the load does not exceed the compressive capacity.

For the columns, the moment capacity is sufficient for uniaxial bending. For biaxial bending with linear interaction, the utilization is 98% without the assumed expansion. With the presence of alkali-silica reactions, the utilization is reduced by 1%. For biaxial bending and bending about the weak axis in the columns, the alkali-silica reactions have minimal impact. The largest increase in moment due to expansion in the columns is 10%, for bending about the strong axis. The change in axial force is negligible.