Model validation with measurements and effect of damage on strain signals

Abstract

Denne masteroppgåve ser på moglegheita for å detektere indre usynlege skader på Herøysund bru ved hjelp av tolking av tøyingsmålingar. Masteroppgåva grunnar i eit forskingsprosjekt mellom NTNU, SINTEF Narvik, Norges arktiske universitet(UiT), Statens vegvesen og Nordland fylkeskommune som handlar om og tidlegare kunne oppdage skader i betongbruer slik at vedlikehaldstiltak kan verte gjort i staden for å bygge nytt, men og å forhindre plutselege brukollapsar. Herøysund bru er ei etteroppspent, spennarmet betongbru plassert i Nordland fylke[3]. Brua er frå 1966 og knyt saman Sør-Herøy og Nord-Herøy. Brua består av ei bruplate med to underliggande bjelkar, har ei samla lengde på 154,4m med eit hovudspenn på 60m. Den er prosjektert etter lastforskrifter 2/1958 [3 ] og blei teikna og dimensjonert av Ingeniør Per Gulbrandsen A/S. I 2019 blei det oppdaga store korrosjonsskadar på brua og brua blei derfor forsterka med karbonband, i tillegg vart det montert 9 sensorar på brua. 6 måler tøying, 2 måler riss vidde og den siste sensoren måle temperatur. Målingsinstrumenta blei montert av HBM Norge AS og måler til ei kvar tid med en frekvens på 20Hz.

Brua er 3D-modellert i det endelege elementprogrammet Diana FEA. Dette blei gjort ved å digitalisere dei handskrivne datane/teikningane frå byggetida og ved bruk av kodespråket Python samt Diana FEA sitt eige kodespråk vidareprosessert til ein 3D modell. Modellen inneheld alle dei viktigaste konstruksjonsdelane bortsett frå normal armeringa. Modellen blei så validert opp mot ein test som vart gjort av HBM der dei køyrte over med lastebil og tilhengar på omtrentleg 50 ton. Denne testen ga ei nedbøyninga på 33mm i eine bjelken og 31mm i den andre. Maks tøyningforandring i dei ulike sensorane varierte frå 332-575 μm/m. 3D modellen av Herøysund bru utsett for tilsvarande last gav ei nedbøyning på 33.78mm og tøyningsverdiar på rundt 150 μm/m noko som kan reknast for å vere gode resultat ettersom målt tøyningsverdi har mange usikkerheits faktorar og nedbøyninga er veldig nærme.

For å finne effekten på tøyingssignalet for ulike skader på spenn armeringa er det gjort to analyser, ein med kun eigenlast og ein med ei mobil last. I begge tilfelle er tøyningssignala vurdert ut ifrå fleire ulike «skader» på armeringa. For eksempel fjerning av en spennarmert kabel eller deler av kabelen. I tilfelle med eigenlast var disse forandringane minimale. Største utslaget var ved fjerning av to spenn armerte kablar, dette førte til ei tøynings auke på 8% , som tilsvara ein forandring i tøyninga på ca. 27 μm/m. Til samanlikning kan temperaturforandringane i eit døgn føre til ein variasjon i tøyningsmålingane med opp til 100 μm/m. I tilfelle med den mobile lasta, var største variasjon i forhold til fullt intakt bru på omtrent 4.5% som tilsvara en endring i tøyning på ca. 15 μm/m. Ein obseravsjon som var gjort er at dersom ein fjernar ein liten bit av spenn armeringa er det kun i hovudsak dei nærmaste sensorane som gjer utslag. Sensoren som er plassert der armeringa er fjerna vil få registrert auka tøyning, mens sensorar som er plassert nærme, men ikkje der armeringa er fjerna vil få nesten like stor redusert tøyning. Maks reduserte tøyning vart målt til -4,2% relativt til fullt intakt bru. Ved fjerning av ein heil spennkabel vil tøynings endringa bli meir lik i alle sensorane og alle sensorane vil registrere auka tøyning, men dette gjelder i hovudsak sensorane i same bjelke. Sensorane i bjelken som ikkje opplever defektar får svært lite tøyningsendring samanlikna med sensorane i bjelken som har defektar.

This Master’s thesis explores the feasibility of detecting internal, imperceptible damage in the Heroysund Bridge through the interpretation of strain measure- ments. The thesis is based on a collaborative research project involving NTNU, SINTEF Narvik, UiT - The Arctic University of Norway, the Norwegian Public Roads Administration, and Nordland Fylkeskommune. The project primarily focuses on the identification and evaluation of internal structural damages that affect concrete bridges. Early identification and evaluation enable early-stage maintenance interventions, thereby safeguarding the integrity of the bridge structure and prolonging its overall lifespan.

The Heroysund bridge is a post-tensioned bridge [ 3] located in Nordland Fylkeskom- mune. The bridge was built in 1966, connecting South Heroy and North Heroy. The bridge consists of one bridge plate with two underlying structural beams. It has a total length of 154.4 meters with a main span of 60 meters. The bridge was designed according to load regulations 2/1958 [3] and was drawn and dimensioned by Ingeniør Per Gulbrandsen A/S. In 2019, a substantial amount of corrosion-related damage was observed on the supporting structure of the bridge requiring reinforcement of the affected areas. Reinforcements were applied utilizing carbon bands [ 3 ]. Further, to safeguard against any continuing decay, in a total of nine sensors were positioned on the bridge structure. Six sensors to measure strain, two sensors to measure the width of two bridge crack openings, and the last sensor measuring the bridge material’s thermal state. The six sensors measuring strain were located on the main span, three sensors for every beam. The sensors were installed and monitored by HBM Norway AS and discrete measurements were made with a time frequency of 20 Hz.

In this thesis, the Heroysund bridge is represented in 3D by using a finite element program called Diana FEA. In addition, a dedicated script in Python is developed to process the digitized handwritten data and structural drawings made during the bridge engineering phase. Using Diana FEA’s own programming language, a 3D model is developed. The 3D model includes the structural parts of the bridge, excluding the normal reinforcement. The model is further validated against a particular test carried out by HBM. The test entails subjecting the bridge to the traversal of a 50-ton truck. The test resulted in a deflection of 33mm and 31mm for the two underlying beams. The maximum strain values in the measuring sensors varied from 332 to 575 μm/m. The 3D model of the Heroysund bridge, subjected to a similar load, resulted in a deflection of 33.78mm and strain values of around 150 μm/m. The values are evaluated as good results considering the many uncertainties when measuring strain.

To determine the effect on the strain signal for various damages to the post- tensioned reinforcement, two analyses were performed, one with only the weight of the bridge, known as self-weight and one with a mobile load. In both cases, the strain signals were assessed based on several different "damages" to the reinforcement. For example, removing a post-tensioned cable or parts of the cable. In the case of the self-weight, these changes were minimal. The greatest deviation was when removing two prestressed cables, leading to a strain increase of 8%, which corresponds to a strain change of about 27 μm/m. In comparison, temperature changes in a day can lead to a change in strain measurements of up to 100 μm/m [ 3]. From the case with the mobile load, the greatest variation compared to a fully intact bridge was approximately 4.5%, corresponding to a change in strain of about 15 μm/m. An interesting observation, however, is how different strain values behave with various defects. If a small piece of the post-tensioned reinforcement is removed, it is primarily the closest sensors that reacts. The sensors placed in the same area as where the reinforcement is removed will register increased strain, while sensors placed close but not in the same area can get almost the same value but as reduced strain. The maximum reduced strain was given as -4.16%. When removing an entire post-tensioned cable, the change in strain becomes more similar in all sensors, and all sensors will register an increase in strain, but this mainly applies to the sensors in the same beam. Sensors in the beam that do not experience defects have a very small strain change compared to the sensors in the beam with defects.