Krefter fra is mot konstruksjoner i elv - Beregninger for lastpanel på brupilar ved Støren
Abstract
Denne masteroppgaven tar for seg beregning av islast i elv ved hjelp av gjeldende regler i vegnormal N400, hvor det fokuseres på statiske laster og støtlaster. Det skal undersøkes hvorvidt disse er hentet fra teori og formler utledet av K. N. Korzhavin, en russisk vitenskapsmann kjent for banebrytende forskning på is i elv. Det blir gjort undersøkelser av et lastpanel som er montert på en brupilar i Støren, der frontplaten har gjennomgått en plastisk deformasjon. Hensikten er å finne den totale trykklasten som gjorde at denne deformasjonen oppsto, og å se på hvordan endring av tykkelsen og stålfastheten til stålplaten vil påvirke resultatet.
Studiet av den statiske lasten viser at N400s beregningsmetoder kan være utledet fra Korzhavins arbeid, til tross for at N400 ekskluderer gravitasjonsbidrag og har et betydelig høyere bidrag fra vindlast. Dersom støtlasten fra N400 skal kunne benyttes i elver, bør gravitasjonsbidraget inkluderes og vindlasten reduseres.
Når det gjelder støtlast, viser sammenligningen at resultatene fra N400 og Korzhavin er mest sammenfallende når det ikke er helning på konstruksjonen eller når kontaktarealet ikke er utformet med en vinkel. Utover dette er det imidlertid ingen direkte korrelasjon mellom de to formlene, og det konkluderes derfor at N400 ikke er fullt basert på Korzhavins arbeid. N400 tar i større grad hensyn til konstruksjonens- og isens dimensjoner, og gir konservative beregninger for iskrefter i elver.
I modelleringen som resulterte i den målte deformasjonen av platen var 1.04 MPa, 0.9 MPa og 0.7 MPa størrelsen på trykkreftene for henholdsvis høyre, venstre og nedre del av platen. Disse verdiene er betydelig lavere enn de største beregnede lastene fra formelene gitt av N400 og Korzhavin, som indikerer at modellert belastning er mindre enn hva en tilsvarende konstruksjon ville blitt dimensjonert for.
For å kontrollere stålfastheten til stålplaten, ble det utført strekforsøk. Disse ga en flytespenning på 434.9 MPa i vertikal retning, og 470.9 MPa i horisontale retning. Dette er høyere enn flytespenningen på 355 MPa, som opprinnelig ble antatt. En justering av resultatene fra modelleringen gjør at et mulig lasttilfelle som kan ha forårsaket deformasjonen antas å være 1.26 MPa, 1.09 MPa og 0.85 MPa på henholdsvis høyre, venstre og nedre del av platen.
Det ble utført analyser hvor platetykkelsen og stålfastheten ble justert for å undersøke hvordan disse parameterne påvirker resultatet. Analysene viste at det er mer effektivt for platens kapasitet å øke platetykkelsen, i forhold til å øke stålfastheten.
Resultatene fra modelleringen ga generelt noe høyere krefter sammenlignet med beregninger basert på Timoshenko plateteori. Ved å vurdere effekten av å endre tykkelsen til platen, ga plateteoriens resultater et høyere utslag. Til tross for dette samsvarer teorien og modelleringen godt, og modelleringens resultater anses som rimelige. This master's thesis addresses the calculation of ice load in a river using the current regulations in the N400 manual, focusing on static loads and impact loads. The study investigates whether these are derived from the theories and formulas of K. N. Korzhavin, a Russian scientist known for his groundbreaking research on river ice. Investigations were conducted on a load panel mounted on a bridge pier in Støren, where the front plate had undergone plastic deformation. The aim was to determine the total compressive load that caused this deformation and to examine how changes in the thickness and steel strength of the plate would affect the result.
The study of static loads shows that the N400 calculation methods may be derived from Korzhavin's work, despite N400 excluding gravitational contributions and having a significantly higher contribution from wind loads. For the impact load from N400 to be applicable in rivers, the gravitational contribution should be included, and the wind load reduced.
Regarding impact load, the comparison shows that the results from N400 and Korzhavin align best when there is no inclination of the structure or angle on the front side. Beyond this, there is no direct correlation between the two formulas, leading to the conclusion that N400 is not entirely based on Korzhavin's work. N400 takes greater account of the dimensions of the structure and the ice, providing conservative estimates for ice forces in rivers.
In the modeling that resulted in the measured deformation of the plate, the load sizes were 1.04 MPa, 0.9 MPa, and 0.7 MPa for the right, left, and lower parts of the plate, respectively. These values are significantly lower than the highest calculated loads using the formulas provided by N400 and Korzhavin, indicating that the modeled load is less than what a similar structure would be designed for.
To verify the steel strength of the steel plate, tensile tests were conducted. These had a yield stress of 434.9 MPa in the vertical direction and 470.9 MPa in the horizontal direction. This is higher than the assumed yield stress of 355 MPa for the steel plate. An adjustment of the modeling results suggests that a pressure distribution of 1.26 MPa, 1.09 MPa, and 0.85 MPa on the right, left, and lower parts of the plate, respectively, can be assumed as a possible load case that caused the deformation.
Analyses were performed where the plate thickness and steel strength were adjusted to examine how these parameters affect the result. The analyses showed that it is more effective for the plate’s capacity to increase the plate thickness than to increase the steel strength.
The results from the modeling generally yielded slightly higher forces compared to calculations based on Timoshenko plate theory. Considering the effect of changing the plate thickness, the results of the plate theory had a higher impact. Despite this, the theory and modeling align well, and the modeling results are considered reasonable.