Capacity Analysis of Herøysund Bridge with a Damaged Post-Tensioned System

Abstract

Norge står for øyeblikket overfor en betydelig utfordring når det gjelder sin aldrende infrastruktur, spesielt med tanke på de omtrent 17 000 broene på riks- og fylkesvegnettet. Blant disse broene er de eldre etteroppspente betongbruene blitt et bemerkelsesverdig bekymringsområde på grunn av tydelige tegn på dårlig utførelse og påfølgende skader forårsaket av korrosjon. Herøysund bru, som ble bygget på slutten av 1960-tallet, er et fremtredende eksempel på dette med omfattende korrosjon på spennarmeringen. Herav skal nåværende bro rives, og arbeidet med bygging av ny bro er i startfasen mens arbeidet med denne masteroppgaven pågår. Som en del av et større initiativ for å forlenge levetiden til eksisterende infrastruktur, representerer dette forskningsprosjektet, som fokuserer på Herøysund bru, en dedikert innsats for å oppnå dette målet.

Målet med denne masteroppgaven er å utføre en kapasitetsvurdering av Herøysund bro. Dette ble gjort ved å utvikle en detaljert bromodell i et elementprogram, regne ut broens momentkapasitet i midtseksjonen og til slutt undersøke virkningen av skader på spennarmeringen på broens kapasitet. Kapasitetskontrollen er utført i bruddgrensetilsand (ULS) ved hjelp av manualer og standarder som gjelder på tidspunktet for denne oppgaven. Dette gjøres for å forbedre forståelsen av broens kapasitet og gi innsikt i effektene av et skadet etteroppspent system.

Elementmetodeprogrammet DIANA er brukt til å beregne dimensjonerende lastvirkning. For å produsere en nøyaktig og detaljert brumodell, ble det først gjennomført et litteraturstudie. Deretter ble det gjennomført en omfattende innføring i DIANA for å sørge for riktig bruk av programvaren, spesielt med tanke på forspenning. Med god forståelse for programvaren ble det utviklet en presis modell av Herøysund bru. Deretter ble det utført en lineær analyse for å bestemme dimensjonerende lastvirkning.

For å ta hensyn til betongens ikke-lineære oppførsel, ble kapasitetsberegningene for tverrsnittet utført separat ved håndberegninger. Bruens midtseksjon i uskadet tilstand ble evaluert i bruddgrensetilstand, før en parametrisk studie på skadet bru ble utført. Skadene ble simulert ved at spennarmeringskablene, en etter en, ble fjernet fra bromodellen for å registrere effektene på bruens kapasitet.

Kapasitetsvurderingen av midtseksjonen i uskadet tilstand ga et dimensjonerende moment på 3 892 kNm og en momentkapasitet på 13 254 kNm. Dette resulterer i en utnyttelsesgrad på 29,4%. Videre viste undersøkelsen omhandlende skadet spennarmering at det er mulig å fjerne fire kabler som strekker seg gjennom midtseksjonen uten å overstige kapasiteten.

Følgelig kan det konkluderes med at bruen, i sin uskadde tilstand, tåler bruksklasse Bk 10/50. Dessuten er midtseksjonen betydelig overdimensjonert, ettersom fjerning av 50% av kablene fortsatt gir tilstrekkelig kapasitet. Det understrekes også at utviklingen av en detaljert modell som inkluderer skader, en digital tvilling, med andre ord, er vesentlig for å vurdere levetiden til en eksisterende bro nøyaktig. Dette studiet viser hvor enkelt det er å inkludere defekter, samt gjennomførbarheten av en effektivisering av skadevurdering, gjennom systematisk digitalisering av modellerings- og vurderingsprosessen. Dette er demonstrert gjennom implementeringen av Python-scripting i dette arbeidet.

Norway is currently faced with a significant challenge regarding its aging infrastructure, particularly concerning the approximately 17 000 national and county road bridges. Among these bridges, the early constructed post-tension concrete bridges have emerged as a notable concern due to evident signs of poor execution and subsequent damage caused by corrosion. Herøysund Bridge, constructed in the late 1960s, serves as a prominent example, exhibiting significant corrosion damage in its post-tension system. Consequently, it has been determined that the current bridge must be dismantled, and construction of a new bridge has already commenced at the time of this thesis. As part of a broader initiative to extend the service life of such bridges, this research project focusing on Herøysund Bridge represents a dedicated effort to achieve this objective.

The aim of this master's thesis is to conduct a capacity analysis of Herøysund Bridge. The objectives include developing a detailed bridge model using a finite element software, determining its midsection capacity, and investigating the impact of a damaged post-tension system on its capacity. The capacity control is carried out in the ultimate limit state (ULS) using regulations and standards applicable at the time of this thesis. By pursuing these objectives, this study seeks to enhance the understanding of the bridge's capacity and provide valuable insights into the effects of a damaged post-tension system.

The finite element program DIANA was employed to extract the design load effects. To ensure the development of an accurate and detailed bridge model, an initial literature study and data collection were conducted. Subsequently, a comprehensive familiarization with the DIANA software was undertaken to ensure its effective utilization. With a thorough understanding of DIANA, a detailed model of Herøysund Bridge was developed, followed by a linear static analysis to determine the load effects on the bridge.

To account for the nonlinear behavior of concrete, the cross-sectional capacity calculations were performed separately using manual calculations. Firstly, the midsection of the undamaged bridge was evaluated in the ULS. Subsequently, a parametric study was conducted by successively removing central tendons from the bridge model to observe the effects on its capacity.

The capacity assessment at the midsection of an undamaged bridge in the ULS revealed a design moment of 3 892 kNm and an ultimate moment of resistance of 13 254 kNm, resulting in a utilization ratio of 29.4%. Furthermore, the investigation of the post-tensioning system with damage demonstrated that it is possible to remove four tendons spanning through the midsection without compromising its capacity.

Consequently, it can be concluded that the bridge, in its healthy state, can withstand service class Bk 10/50. Moreover, the midsection is found to be significantly over-dimensioned, as the removal of 50% of the tendons spanning through the midsection still provides sufficient capacity. It is further emphasized that the development of a detailed model incorporating damages is crucial for accurately assessing the service life of an existing bridge. This study highlights the ease of including damages and the feasibility of streamlining damage state assessments through systematic digitization of the modeling and assessment process, as exemplified by the implementation of Python scripting in this project.