Robusthet av eksisterende betongbruer

Abstract

Denne oppgaven tar for seg robusthet av eksisterende konstruksjoner, med fokus på betongbruer. Robusthet er en essensiell egenskap for alle konstruksjoner som øker motstandsdyktighet mot lokale brudd, uavhengig av årsaken. Konseptet har blitt presentert, analysert og forsøkt kvantifisert med hensyn til dimensjonering og prosjektering av betongbruer. I tillegg er det utført en kapasitetskontroll på en eksisterende betongbru (Svelgabrui). Til slutt ble det britiske rammeverket for vurdering av robusthet anvendt på bruen for å vurdere nytten av et slikt verktøy i Norge.

Robusthet er avgjørende for alle konstruksjoner og i særlig grad for bruer. Liv, økonomi og miljø kan reddes dersom uforholdsmessige kollapser unngås etter katastrofale hendelser (f.eks. ulykker, ekstremvær, terroristangrep). Litteraturen som omhandler robusthet er omfattende, men det mangler enighet rundt kvantifisering av konseptet og konkrete krav til dimensjonering. Derfor er det i denne oppgaven forsøkt å samle relevant litteratur for å finne og sammenligne likheter og ulikheter. Gjennom litteratursøket er det funnet at tilbakevendende prinsipper for robusthet i konstruksjoner er redundans, kontinuitet og duktilitet. Det er ikke tilstrekkelig med bare et av disse prinsippene for å oppnå en robust konstruksjon, men det er, for enhver konstruksjon, nødvendig med minst en av dem.

Utfordringen med å sikre robusthet kan, som presentert i denne oppgaven, håndteres med ulike strategier. Deterministiske og probabilistiske konsepter av robusthetsanalyse eksisterer med forsøk på kvantifisering. Likevel er det å finne den mest effektive tilnærmingen en klassisk optimaliseringsoppgave som bestemmer hvor ressurser bør allokeres for maksimal effekt. Dessverre er det på grunn av usikkerhet iboende scenarier som påvirker robusthet, ofte umulig å vurdere effektene numerisk - enten det gjelder probabilistisk eller deterministisk kvantifisering. Som et resultat må vurderingen stole på subjektive og kvalitative vurderinger.

CS465 er et rammeverk som tilrettelegger for slike vurderinger. Fordelen med rammeverket er at det gir muligheten til å inkorporere usikker informasjon og subjektiv erfaring, som ikke er begrenset av vitenskapelige "regler for spillet" eller avhengig av prøvestørrelse og betydningsfulle data for å bli ansett som gyldig. Det foreslås derfor å videreutvikle et rammeverk for norske forhold som veileder eksperter og ingeniører i prosjektering av robuste konstruksjoner.

For å effektivt fremheve hvordan robusthet kan kvantifiseres er det gjort en kapasitetskontroll på en relativt enkel bru. Bruen er en etteroppspent kassebru i armert betong, Svelgabrui i Vestland, Norge. Gjennom arbeidet er det funnet at kritiske snitt i brua er midt i spennet for momentkapasitet og ved opplagrene for skjær- og torsjonskapasitet. Kapasitetskontrollen legger til rette for en tilstandsvurdering av bruen og gir svar på om brua krever umiddelbare tiltak for å sikre optimal konstruktiv integritet. Denne kontrollen er gjort i henhold til relevante regler og prosedyrer for bruprosjektering i Norge. Dog er kontrollen forenklet for å begrense omfanget av oppgaven.

Analysen av Svelgabrui viser at selv om Svelgabrui er en fritt opplagt bru med lite redundans i det statiske systemet, kan den fortsatt klassifiseres som robust. På grunn av god prosjektering og utførelse scorer bruen lavt på utsatte detaljer, materialer og ytre påvirkninger. Det er en ung bru, i forhold til at bruer som regel prosjekteres med en brukstid på 100 år, som har hatt få påvirkninger av tid (rust, avskalling, kryp). I kapasitetskontrollen ble det funnet at brua risser opp i underkant selv om den har mer enn tilstrekkelig moment-, torsjon-, og skjærkapasitet. Det betyr at selv om brua ikke trenger umiddelbare tiltak for å sikre robusthet, burde den observeres for å sikre at ikke rissene utvikler seg i størrelse.

This thesis addresses the robustness of existing structures, with a focus on concrete bridges. Robustness is an essential property of all structures that increases resistance to local failures, regardless of the cause. The concept has been presented, analysed and there has been made an attempt to quantify robustness with regards to design and engineering of concrete bridges. Additionally, a capacity control calculation has been conducted on an existing bridge (Svelgabrui). Lastly, the British framework for assessing robustness has been applied to Svelgabrui in order to evaluate the necessity and utility of such a tool in Norway.

Robustness is crucial for all structures, in particular for bridges. Lives, capital and the environment can all be saved if disproportionate collapses are avoided after catastrophic events (e.g. accidents, storms, terrorist attacks). The literature on robustness is extensive, however there is a lack of agreement surrounding the quantification of robustness and thus, there is a lack of specific requirements for design. Therefore, this thesis attempts to gather relevant literature to identify and compare similarities and differences. In the literature review it has been found that recurring principles for robustness are redundancy, continuity and ductility. To achieve a robust structure, it is not sufficient with only one of these principles but at least one has to be included for any given structure.

The challenge of ensuring robust structures can, as presented in this thesis, be addressed with various strategies. Deterministic and probabilistic approaches to analysis of robustness exist, attempting to quantify the concept. However, finding the most effective solution is a classic problem of optimisation, deciding where resources should be allocated for maximum benefit. Unfortunately it is, because of considerable uncertainty inherent situations that affect robustness, often impossible to assess the effects numerically - whether in regard to probabilistic or deterministic quantification methods.

CS465 is a framework that facilities that kind of assessment. The benefit of using the framework is that it provides the opportunity of incorporating uncertain information and subjective experience, not limited by scientific "rules" or dependant on sample size and significant data in order to be valid. For these reasons, it is recommended to further develop a framework like CS465, for Norwegian conditions, that provides a guideline for experts and engineers to design robust structures.

To effectively demonstrate how robustness can be quantified, a capacity assessment has been carried out on a relatively simple bridge. The bridge is a post-tensioned box bridge constructed using reinforced concrete, Svelgabrui in Vestland, Norway. It has been found that critical sections in the bridge are: mid-span for moment capacity and at the supports for shear and torsional capacity. The capacity assessment facilitates an assessment of the bridge's condition and provides answers as to whether immediate measures are required to ensure optimal structural integrity. This assessment is done according to relevant rules and procedures for bridge design in Norway. However, the assessment has been simplified to limit the scope of the thesis.

The analysis of Svelgabrui reveals that even though it is a simply-supported bridge with little redundancy in the static system, it can be classified as robust. Due to good design and execution, the bridge has low scores on vulnerable details, materials, and external influences. It is a relatively new bridge compared to the usual design-life of bridges being 100 years, and it has had minimal effects from ageing (rust, flaking, creep). In the capacity assessment, it was found that the bridge exhibits cracking in the bottom of the cross section (tension side) despite having more than sufficient moment, torsional, and shear capacity. This means that although immediate measures are not needed to ensure robustness, the bridge should be monitored to ensure that the cracks do not develop further in size.