Robusthet av brukonstruksjoner – Kasusstudie av Herøysund bru

Abstract

Denne masteroppgaven, skrevet ved NTNU i 2024, fokuserer på robustheten av betongkonstruksjoner med spennarmering, der fokuset er etteroppspent bruer. Hovedmålet med oppgaven er å kunne forstå hvordan skader og tap av spennkraft i bruer kan beregnes ved hjelp av beregninger, ved både lineære og ikke-lineær analysemetoder. For å kvantifisere robustheten er det sett på kjente deterministike formler som er funnet ved litteratursøk. Oppgaven er delt inn i flere deler. Den første teoridelen gir en teoretisk bakgrunn for robusthet med definisjon av robusthet, hvordan robusthet kan kvantifiseres og relevante skademekanismer for spennkabler og armering. Det gis også en oversikt over definisjon av robusthet i de mest kjente regelverkene for bruer: N400 bruprosjektering og Eurokode. I den andre teoridelen presenteres en gjennomgang av de analysemetodene som er benyttet, samt en beskrivelse av programvaren som SOFiSTiK og Response-2000. Kapittelet tar for seg teorien bak ikke-lineær analyse og hvordan denne er benyttet i programvaren. I den andre delen anvendes teorien på en enkel bjelkemodell for å studere effekten av reduksjon i slakkarmering, og dette knyttes deretter til bjelkens robusthet. Det benyttes ulike formler fra litteraturen for å identifisere den mest anvendelige metoden for videre vurdering i kasusstudien av Herøysund bru. Det ble valgt en formel som benytter motstanden i systemet mot lasteffekter på konstruksjonen. Den tredje delen av oppgaven er en kasusstudie av Herøysund bru. Det gis en detaljert beskrivelse av bruen, inkludert geometri, analysemodell, laster, materialer og tverrsnittskapasiteter. Det ble utført en ikke-lineær analyse for å se hvilke effekter dette hadde på systemet. På grunn av den minimale endringen mellom lineære og ikke-lineære krefter, ble det besluttet å utføre videre analyser av den skade bruen og tap av spennkabler kun med lineær metode. Resultatene fra kasusstudien viser at Herøysund bru har en robusthetsverdi på 3,6 for et intakt system og kan tåle tap av opptil 2 spennkabler ved feltmidt. Over hovedspennet er robusthetsverdien 7,4, og bruen kan håndtere tap av opptil 7 spennkabler. For å vurdere den totale robustheten, er det utført en sannsynlighetsberegning basert på normalfordeling. For robusthetsverdien er forventningen 2,33 med et standardavvik på 0,24. 5%-persentil lik 1,7, som tilsvarer robusthetsverdien ved tap av 2 kabler i snitt A og C. I siste del av oppgaven diksuteres funnene fra oppgaven, og det gis en vurdering av metodikkens styrker og svakheter. Det konkluderes med at flere formler for robusthetsvurdering gir en bedre forståelse av konstruksjonens respons på skader, men at de benyttede formlene ikke nødvendigvis gir et fullstendig bilde av konstruksjonens robusthet.

This master thesis, written at NTNU in 2024, focuses on the robustness of concrete structures with tension reinforcement, where the focus is post-tensioned bridges. The main goal of the thesis is to understand how damage and loss of prestress force in bridges can be calculated with help of calculations, with both linear and non-linear analysis methods. To quantify robustness is has been seen on well-known deterministic formulas that has been identified through literature review. The thesis is divided into several parts. The first theoretical section gives a theoretical background on robustness with a definition of robustness, how it can be quantified and relevant damage mechanisms for tendons and reinforcement. An overview of the definition of robustness in the most know regulations of bridges: N400 Bruprosjektering and Eurocode. In the second part of the theoretical section is it given an overview of the analysis methods that have been used, along with a description of software such as SOFiSTiK and Response-2000. This chapter discusses the theory behind nonlinear analysis and how it is applied in the software. In the second part the theory is applied to a simple beam model to study the effect of reducing the reinforcement, and then relate this to the beam’s robustness. It has been used various formulas from the literature to identify the most applicable method for further assessment in the case study of Herøysund bridge. A formula was chosen that uses the resistance in the system against load effects on the structure. The third part of the thesis is a case study of Herøysund bridge. A detailed description of the bridge is given, including geometry, analysis model, loads, materials and cross section capacities. A non-linear analysis was done to see what effect it had on the system. Due to minimal difference between linear and non-linear forces, it was decided to perform further analyses of damaged bridge and loss of tendons using only linear method. The results from the case study indicate that Herøysund Bridge has a robustness value of 3.6 for an intact system and can withstand the loss of up to 2 tendons at mid-span. Over the main span, the robustness value is 7.4, and the bridge can handle the loss of up to 7 tendons. To assess the total robustness, it was done a probability calculation based on normal distribution. The robustness value had a mean value of 2,33 with a standard deviation of 0,24. The 5% percentile is equal to 1,7, which corresponds to the robustness value at the loss of 2 tendons in section A and C. In the final part of the thesis, the findings are discussed, and an evaluation of the methodology's strengths and weaknesses is provided. It is concluded that use of multiple formulas of robustness gives a better understand of the structure’s response on damage, but the formulas used do not necessarily provide a complete picture of the structure’s robustness.