Effects of alkali-silica reactions on the structural behaviour of existing bridges: The slender columns of the Tromsø Bridge

Abstract

I løpet av de siste tiårene har alkalireaksjoner (ASR) blitt et økende problem for eksisterende betongkonstruksjoner. Denne kjemiske reaksjonen fører til en intern ekspansjon, som resulterer i svekkede materialegenskaper i betongen på grunn av indre spenninger. Den påfører også ekstra krefter og momenter i statisk ubestemte konstruksjoner. Imidlertid er det begrenset forskning tilgjengelig på omfanget av skaden og dens effekter på konstruksjoners virkemåte, noe som gjør det vanskelig å vurdere skadens innvirkning på konstruksjoner i bruddgrensetilstand. Tromsøbrua, som er kjent for å ha pågående alkalireaksjoner i store deler av konstruksjonen, har vært gjenstand for flere studier. Imidlertid har de slanke søylene fått lite oppmerksomhet. Tidligere inspeksjoner har avdekket tydelige tegn på ASR i form av sprekker og ekspansjonsmålinger som kan føre til korrosjonsinitiering og forskyvning av søylene.

For å vurdere lastene og reaksjonskreftene ble brua modellert i tre deler: Vestre viadukt, fritt-frem-byggdel og østre viadukt. Søylene ble først evaluert ved hjelp av interaksjonsdiagrammer (MN) laget med FEM-programmet SAP2000. De mest kritiske søylene ble videre evaluert ved hjelp av en moment-kurvatur-relasjon for å ta hensyn til den ikke-lineære oppførselen til betongen. Til slutt ble noen utvalgte søyler underlagt et parameterstudie der søylene ble utsatt for høye nivåer av ASR og korrosjon.

De konservative interaksjonsdiagrammene viser kapasitetsutnyttelse godt innenfor grensene for den kritiske lastkombinasjonen, mens de mer nøyaktige moment-kurvatur-relasjonene indikerer en utnyttelse på 79,0% og 78,4% for de mest belastede søylene. Det er imidlertid tydelig at ASR-ekspansjoner har en betydelig innvirkning på kapasiteten. For søylene med høyest kapasitetsutnyttelse økte momentet grunnet den målte ekspansjonen som følge av ASR med 12%.

Den parametriske studien viser at full kapasitet blir nådd når de valgte søylene utsettes for høye nivåer av ASR, tap av betongoverdekning og ytterligere korrosjon i armeringen. De høye søylene i fritt-frem-byggdelen vil nå en kritisk situasjon med fullstendig tap av betongoverdekning kombinert med betydelig korrosjon. De enslige søylene i østre viadukt er sensitive for forskyvninger forårsaket av ASR. De vil nå full kapasitet hvis ASR-ekspansjonen øker fra 0,55‰ til 1,5‰, kombinert med korrosjon og tap av overdekning.

Det er for øyeblikket ingen tegn til svikt i noen av søylene på Tromsøbrua. Imidlertid anbefales det at broen overvåkes og inspiseres mer grundig, da den parametriske studien fremhever de potensielle konsekvensene av ytterligere skade grunnet ASR.

Over the last decades, alkali-silica reactions (ASR) have emerged as a pressing problem for existing concrete structures. This chemical reaction induces internal expansion, resulting in weakened material characteristics of the concrete due to internal stresses. In addition, it imposes additional forces and moments in statically indeterminate structures. There is limited research available on the extent of damage and its effects on structural behaviour, making it difficult to evaluate the ultimate limit state capacity. The Tromsø Bridge, known to have ongoing alkali-silica reactions in large parts of its structure, has been the subject of several studies. However, the slender columns have received little attention. Previous inspections have revealed clear signs of ASR through cracks and expansions that can cause corrosion initiation and column displacement.

To assess the loads and reaction forces, the bridge was modelled in three parts: The west abutment, the main cantilever, and the east abutment. The columns were initially evaluated using interaction diagrams made with the FEM program SAP2000. The most critical columns were further evaluated using a moment-curvature relationship to account for the non-linear behaviour of the reinforced concrete. Finally, some selected columns were subjected to a parametric study, inducing high levels of ASR and corrosion.

The conservative interaction diagrams demonstrate capacity utilization well within limits for the critical load combination, and the more accurate moment-curvature relationships indicate utilization of 79.0% and 78.4% for the most loaded columns. It is evident that ASR expansions significantly affect the capacity. For the most utilized columns, the measured expansion due to ASR gives a moment increase of 12%.

The parametric study shows that full capacity can be reached when the selected columns are subjected to high levels of ASR, loss of concrete cover, and further reinforcement corrosion. The tall columns of the cantilever section will reach a critical situation with a complete loss of concrete cover, combined with significant corrosion. The single columns of the east abutment are sensitive to displacements caused by ASR. They will reach full capacity if the ASR expansion increases from 0.55‰ to 1.5‰, combined with corrosion damage and loss of cover.

There are currently no indications of failure for any of the columns of the Tromsø Bridge. However, it is recommended that the bridge is monitored and inspected more thoroughly, as the parametric study highlights the potential consequences of prolonged propagation of ASR.