Teräsbetonisen kotelopoikkileikkauksen toiminta ja HCT-yhdistelmien vaikutukset rasituksiin

Abstract

HCT-yhdistelmiä on käytetty Suomessa vuodesta 2013 asti poikkeuslupien varaisena. HCT-yhdistelmät ovat painavampia ajoneuvoyhdistelmiä kuin Suomen laki ilman poikkeuslupaa sallii. Yhdistelmien käytöstä aiheutuvia hyötyjä ja haittoja on tutkittu siitä asti, kun niitä on käytetty Suomessa. Tutkimus on kohdistunut esimerkiksi teiden kuntoon, päästöihin ja yhdistelmien vaikutukseen liikenteessä. Tässä työssä tarkastellaan HCT-yhdistelmien siltoihin aiheuttamia rasituksia ja verrataan erilaisten HCT-yhdistelmien aiheuttamia rasituksia ajoneuvoasetuksen mukaiseen kuormakaavioon AA13/76. Suomessa on paljon vanhoja siltoja, jotka on suunniteltu nykyistä pienemmille liikennekuormille. HCT-yhdistelmien kannalta haasteita aiheuttavat erityisesti jatkuvat sillat, joissa on pitkät jännemitat. Tarkemmin työssä tarkastellaan teräsbetonisia kotelopalkkisiltoja, sillä rakennetyyppi on ollut tyypillinen pitkien jänteiden silloissa rakentamisajankohtanaan. Teräsbetonisia kotelopalkkisiltoja on tehty Suomessa 50-luvulta alkaen ja osa niistä on edelleen käytössä. Rakentamisajankodasta johtuen sillat on suunniteltu verrattain alhaiselle kuormalle. Työssä tarkastellaan, kuinka useampi koteloinen poikkileikkaus jakaa kuormia lujuusominaisuuksien muuttuessa. Työssä hyödynnettiin 100 kN influenssikuormana akselia, joka kuljetettiin kahden eri sillan laskentamallin yli metrin jakovälillä. Influenssikuorman avulla valittiin sillasta kohdat, joihin syntyivät suurimmat taivutusmomentin, leikkausvoiman ja väännön arvot. Nämä osuivat välituelle ja kenttään. Pisteille tehtiin vaikutusviivat, joiden avulla arvioitiin erilaisten HCT-yhdistelmien aiheuttamat rasitukset. Pääosin raskaammat ajoneuvoyhdistelmät aiheuttivat suurimpia rasituksia ja erot ajoneuvoasetuksen mukaisen kaavion aiheuttamiin rasituksiin olivat 10 % luokkaa. Erot kaikissa rasituksissa eivät olleet yhtä selkeitä, joten voidaan päätellä, että yhdistelmän massan lisäksi myös muut ajoneuvoyhdistelmän ominaisuudet vaikuttavat sillan rasituksiin. Painavammat ajoneuvoyhdistelmät olivat usein pidempiä, jolloin kuorma jakautui tasaisemmin sillalle. Tarkastelluissa HCT-yhdistelmissä yksittäiset akselimassat eivät ylitä valtioneuvoston asetuksessa esitettyjä suurimpia sallittuja massoja. HCT-yhdistelmän aiheuttamiin rasituksiin vaikuttaa, kuinka kuorma jakautuu eri akseleille ja kuinka ajoneuvoyhdistelmän painavimmat akselit sijoittuvat. Kotelopoikkileikkauksen toimintaa tarkasteltiin palkkimaisen arinamallin avulla muuttamalla pääpalkkien ja arinasauvojen lujuusominaisuuksia. Työssä tarkasteltiin erilaisia analyyseja, joissa pääpalkkien taivutus- ja vääntölujuudet sekä sauvojen lujuusominaisuudet asetettiin joko täysin halkeilleeksi tai halkeilemattomaksi. Analyysien avulla huomattiin, että poikkileikkaus siirtää rasituksia kotelolta toiselle, vaikka lujuusominaisuudet olisivat halkeilun takia heikentyneet. Poikittaissauvojen lujuuksien muutoksella ei juuri ollut merkitystä rasitusten jakautumiseen palkkien välillä. Pääpalkkien taivutus- ja vääntölujuuksilla on suuri merkitys poikkileikkauksen rasitusten jakautumiseen poikkileikkauksessa. Rasitukset laskettiin tarkemmin 91 tonnin ja 84 tonnin HCT-yhdistelmillä sekä 4,5 kN/m2 suuruisella pintakuormalla ja AA13/76 kuormakaaviolla. Näillä kuormituksilla pystyttiin vertailemaan tarkemmin HCT-yhdistelmän ja muun liikenteen aiheuttamia rasituksia. Työssä ei tehty kantavuustarkastelua, koska tarkasteltavat sillat eivät olleet oikeita kohteita, eikä yksittäisen sillan kantavuus kerro koko siltatyypin kantavuudesta. Rasitusten suuruuksiin vaikuttavat myös sillan ominaisuudet, kuten jännemitta ja poikkileikkausmitat. Näin ollen ei voida yhden sillan perusteella sanoa, kestävätkö sillat HCT-yhdistelmiä vai ei. Jatkotutkimukset ovat tarpeen, jotta saadaan tietoa siltojen todellisesta käyttäytymisestä. Tarkastelluilla HCT-käytävillä on useita teräsbetonisia kotelopalkkisiltoja, joiden todellisesta kapasiteetista olisi hyvä saada lisää tietoa. Seuraavaksi on selvitettävä, millaisia siltoja kuormittamalla saataisiin mahdollisimman kattavasti tietoa mahdollisimman monesta sillasta kerralla. Lisäksi on pohdittava, mitä mitataan, millä kuormitetaan ja kuinka koekuormitukset suoritetaan.

HCT, high-capacity transport, vehicle combinations have been used in Finland since 2013 with special permit. HCT combinations are heavier vehicle combinations than the Finnish law allows. There have been studies of the effects of using HCT combinations since they have been in use. The studies have focused on the effects on pollutions, traffic and road conditions. The thesis focuses on how the HCT combinations effects on bridges and what kind of stresses they cause. The stresses of HCT are compared to the stresses of 76-ton vehicle AA13/76 in Finnish vehicle regulations. In Finland there are lots of bridges that have been designed on smaller traffic load than the traffic causes today. Especially the continuous bridges that have long spang lengths are the problem. The thesis focuses on reinforced concrete box-section bridges. Box girder have been used in reinforced concrete bridges since 1950s. Some of the box girder bridges built in 1950s are still in use. Thesis studies how multibox-section can distribute loads among the boxes while the strength properties change. The grid model was used to analyze the bridges. Stresses caused by HCT trucks were evaluated with influence load and influence lines. The influence load was 100 kN axle that was taken over the bridge model with spacing of 1 m. Points where the bending moment, shearing force and torsional moment are the highest and lowest are in the span and intermediate support. For these points influence lines were made and they were used to evaluate stresses caused by different HCT trucks. Stresses caused by HCT vehicle combinations were about 10 % higher than what AA13776 caused. The stresses were mainly more intense when the load was heavier. Heavier vehicle combinations were often longer so the load was distributed more equally on the bridge deck and supports. The weight of an individual axle of HCT trucks used in this thesis were not higher than allowed in the Finnish law. The stresses of the bridges depend on how the heaviest axles of vehicle combinations are located. Box girders cross-sectional operation is studied with grid model by changing the strength properties of main beams and transverse members. There were different analyzes where the bending and torsional strengths of the main beam were either completely cracked or uncracked. Strength properties of the transverse members were also either complete cracked or uncracked but that did not have as much impact on the stresses of the cross section. The cross-section transfers load well among the boxes. Strength properties of the main beams has great impact on intensity of stresses and distribution between boxes. In the end of the thesis the bridges were loaded with the different HCT trucks, AA13/76 vehicle and 4,5 kN/m2 surface load. HCT trucks were 91 tons and 84 tons. With these loads it was possible to compere the stresses from HCT and other traffic. In this thesis the bridge load capacity was not calculated because the used bridges were not real ones and it wouldn’t reveal much about the capacity of the bridge type. Bridges span length and dimensions of the cross section effects a lot on the intensity of the stresses. As the further research there could be test loading of selected bridges. The bridges can be selected from the routes that are used by HCT trucks. There are many reinforced concrete box-section girder bridges in use and we cannot be sure what the real capacity of them are. The bridges for test loading should be chosen so that test loads would give as much information as possible of as many bridges as possible. HCT trucks that should be used in test loads can be chosen based on this thesis but it also depends on the chosen bridges and the trucks that are available.