Utilsiktede deformasjoner og skjærriss i fritt frambygg bruer

Abstract

Fenomenene utilsiktede deformasjoner og skjærriss har en spesiell tendens til å oppstå i fritt frambygg bruer, og har de siste tiårene tiltrukket seg stor oppmerksomhet blant bruaktører både i Norge og resten av verden. Slike fenomener kan føre til forringelse av brukonstruksjonens estetiske verdier og krav, hvilket videre kan medføre at tillatte aksellaster ved ferdsel må reduseres. I sjeldne tilfeller kan det være nødvendig å bygge om på brukonstruksjonen for å opprettholde funksjonaliteten, og i ekstreme tilfeller kan det fattes en avgjørelse om å rive ned brukonstruksjonen dersom trafikksikkerheten ved ferdsel lenger ikke kan garanteres. I denne avhandlingen undersøkes dermed årsaker til at de opptredende fenomenene oppstår i fritt frambygg bruer, der Sålåsund bru i Møre- og Romsdal som innehar de samme problemene benyttes som eksemplifisering. Det utføres normalt tradisjonelle numerisk lineære analyser ved prosjektering av fritt frambygg bruer. Problemet er imidlertid at de opptredende fenomenene ikke avdukes i slike analyser, hvilket skaper stor forvirring blant brukonstruktører. For å kunne gjenskape de tradisjonelle numerisk lineære analysene, har det blitt etablert en meget omfattende numerisk modell av Sålåsund bru. Modellen ivaretar effekten av den seksjonsvise utbyggingsfasen i fritt frambygg bruer, samt den tidsutviklende oppførselen til brukonstruksjonen i ferdigtilstand. I tillegg tar den numeriske modellen høyde for å inkludere skjærdeformasjoner, hovedsakelig for å øke presisjonen i totale deformasjoner. Skjærdeformasjoner utelukkes normalt ved prosjektering av fritt frambygg bruer, da det er antatt til å gi neglisjerbare påslag i totale deformasjoner. Resultater fra utførte lineære analyser fremviser ingen betydelig avvik i langtidsdeformasjoner i forhold til prosjekterte overhøyder for Sålåsund bru, selv når effekten av skjærdeformasjoner inkluderes. Det observeres heller ingen spenningstilstander som skulle tilsi at betongens strekkfasthet overskrides, slik at opprissing skulle ha fremkommet. Elementformuleringen som benyttes i den numeriske modellen krever imidlertid at betongen er i en uopprisset tilstand. Etter opprissing vil resultater fra de lineære analysene være utilstrekkelige. For å kunne forutsi den ikke-lineære responsen til betong etter opprissing, ble en robust beregningsmodell basert på den modifiserte trykkfeltsteorien etablert. Den etablerte beregningsmodellen er i stand til å forutsi responsen i et vilkårlig betongtverrsnitt med innlagt armering, både i uopprisset- og opprisset tilstand, utsatt for den kombinerte virkningen av moment, skjær- og aksialkraft. Videre ble det formulert en meget interessant og kontroversiell hypotese på at oppståelsen av skjærriss i steg, skyldes innvirkningen av kryp på hovedtrykktøyninger. Etter opprissing er det fornuftig å anta at skjærstivheten reduseres, hvilket videre kan medføre økte skjærdeformasjoner. Ved å implementere kryp i den etablerte beregningsmodellen, var det mulig å utføre ikke-lineære tidsavhengige skjær-deformasjonsanalyser, av den seksjonen som var observert til å være en av de mest utsatte for skjærriss. Resultater fra analysene viser at den stilte hypotesen virker både fornuftig og meget sannsynlig. I tillegg viser resultater fra analysene at skjær-deformasjonsformen minner svært mye om den formen fritt frambygg bruer har en tendens til å ta, samt at økningen av skjærdeformasjoner i opprisset tilstand vil gi betydelige påslag i totale deformasjoner.

Unpredicted deformations and shearcracks are phenomenons which often occur in concrete cantilever bridges, and have during past decades withdrawn great attention among bridgedesigners, both in Norway and rest of the World. The occurance of such phenomenons may lead to deterioration in aesthetic values and requirements for the bridge, which further may imply a reduction of permitted traffic loads. In rare cases, it may be necessary of a reconstruction to maintain the serviceability of the bridge, and in extremely rare cases, it may be decided to demolish the construction if the traffic safety is considered to be compromised. Reasons of the phenomenons occurance in concrete cantilever bridges are investigated thoroughly in this thesis, where Sålåsund bridge which exhibits the same problems and is situated in the county of Møre- og Romsdal, is used as an exemplification. It is common to use traditional numerical linear analysis when designing concrete cantilever bridges. The problem though, is that the occurance of the phenomenons do not reveal itself in such analysis, which constitutes much confusion among bridgedesig- ners. In order to regenerate the traditionally numerical analysis, a sophisticated and extensive numerical model of Sålåsund bridge has been established. The model realistically simulates the segmentally development of cantilevers during the construction phase, as well as the timedependent behaviour of the bridge after completion is taken into account. Furthermore, the numerical model accounts for inclusion of sheardeformations, mainly to improve the precision of the total deformations. Sheardeformations is usually not accounted for when designing concrete cantilever bridges, because it is assumed by bridgedesigners to provide negligable small additions to the total deformations. Results obtained from performed linear analysis do not exhibit considerable deviation in longtime deformations when compared to designed precamber on Sålåsund bridge, even when the effect of sheardeformations is accounted for. Furthermore, no conditions in tension are observered to imply the concrete to develop cracks. However, the elementformulation used in the numerical model requires the concrete to stay uncracked. Results obtained from performed linear analysis are thus inadequate after cracking. In able to predict the non-linear response of concrete in a post-cracking condition, a robust calculation model based on the modified compression field theory was established. The established calculation model is able to predict the response of an arbitrary cross-section in concrete with reinforcement, both in a pre-cracking and post-cracking condition, subjected to the combined impact of moment, shear- and axialforce. Furthermore, an extremely interesting and controversial hypothesis was formulated based on the assumption that, shearcracks occur in web of concrete cantilever bridges due to the influence of creep in the principal compression strains. After shearcracks have occured, it is reasonable to make an assumption that the shearstiffnes will be greatly reduced, which further can lead to significant increase in sheardeformations. By implementing the effect of creep in the established calculation model, it was possible to carry out a non-linear timedependent shear-deformation analysis on the segment which was observed to be one of the most heavily exposed to shearcracks. Results obtained from the analysis implicates that the formulated hypothesis tend to be reasonable and highly likely to occur. Furthermore, the obtained results from the analysis show that the shear-deformationform reminds much of the form which concrete cantilever bridges tend to exhibit, and that the increase in sheardeformations in post-cracked condition provide significantly additions to the total deformations.