Tukirakenteen vaurion vaikutukset teräksisen sillan kansirakenteeseen: Eurokoodipohjainen laskenta vaurioituneen rakenteen analysoinnissa

Abstract

Tutkimusongelmana pidetään terässillan vaurionsietokykyä, mikä rajataan sillan välituen siirtymän aiheuttamaan teräksisen siltakannen vaurioon. Välituen vauriona pidetään välitukirakenteen kallistumista, jolloin siltakansi oletetaan liikkuvan sillan poikkisuunnassa välitukirakenteen kallistuman mukana. Tutkimuksessa ei tarkastella välituen laakerin ja kansirakenteen liitoskohdan tarkempaa käyttäytymistä, vaan siltakannelle oletetaan sama siirtymä kuin pilarin yläpäälle. Tutkimuksen tavoitteena on asettaa yksityiskohtainen ennakkotapaus suunnittelijoille analysoimassa välituen siirtymistä aiheutuneita rasituksia kansirakenteelle. Tutkimuksen pohjalta suunnittelija pystyy luomaan luotettavat laskelmat vaurioituneen rakenteen analysointia varten jopa ennen kohteen mittaustuloksia. Tutkimuksen muita tavoitteita on löytää Eurokoodeista mahdollisia puuttuvia osia sekä analysoida käytössä olevaa vaurioitunutta siltakohdetta. Lasketaan siirtymien aiheuttamia vaikutuksia todelliselle siltakohteelle, missä pilarin kallistuminen on aiheuttanut teräksiselle kansirakenteelle ongelmia. Verrataan laskennan tuloksia kohteesta mitattuihin tuloksiin. Laskentaan käytetään Eurokoodipohjaista menetelmää, missä kuormitukset halutaan määrittää saatavilla olevien standardien mukaisesti. Yhtenä tutkimuksen haasteena on tuottaa todenmukainen kuormitustilanne sillan nykyhetkessä Eurokoodien avulla. Eurokoodeissa useat kuormitukset on ilmoitettu 50 vuoden tai 100 vuoden toistumisjaksolla, mutta tutkittava kohde on käytössä enää 5 vuotta. Eurokoodipohjaiseen laskentaan joudutaan tekemään poikkeuksia standardien riittämättömyyden kohdissa. Eurokoodissa ilmoitettu suunnittelujunakuorma on paljon tutkittavan sillan todellista junaliikennettä suurempi, jolloin otetaan käyttöön EN 15528 standardista todellisen junakuorman kuormituskaavio D4. Tuulen nopeus pienennetään Eurokoodissa sallitulla luonnonilmiön pienennyskertoimella nopeuteen 15,5 m/s. Eurokoodista puuttuu kokonaan käytännöllinen menetelmä tutkittavan sillan sauvaliitoksen jäykkyyden määrittämiseen. Sauvaliitosten jäykkyys todetaan erittäin merkittävään osaan tulosten luotettavuuden kannalta. Sauvaliitosten jäykkyyksille johdetaan kaavat liitoksen jousivakion laskennalliseen arvioon. Kaavoja ei voida käyttää sellaisenaan muihin kohteisiin. Luodaan FE-laskentamalli koko siltakannesta, minkä tulosten suuruusluokka validoidaan käsin laskennan sekä yksinkertaisemman laskentamallin avulla. Todellista validointia koekuormituksella ei tehdä. Laskentamallista luetaan normaalivoimia, momentteja sekä jännityksiä teräsrakenteille. Määritetään sillalle välitukirakenteen laskennallisia siirtymärajoja, missä ensimmäinen raja on siltakannen ensimmäisen komponentin myötöjännitys ja toinen raja sillan pääpalkin myötöjännitys. Lisätarkasteluna siltakansi kuormitetaan murtoon sauvanpoistomenetelmällä. Laskentatuloksena välituen vaurio aiheuttaa suuria rasituksia teräksisen sillan tuuliristikolle. Välituen vaurio vaikuttaa koko sillan matkalla, jolloin välitukialueen laskentamalli on riittämätön. Tutkittavassa siltakohteessa laskennalliset FE-mallin tulokset tuottavat virheellisen suuria jännityspiikkejä, mitkä aiheuttavat laskennallisen siirtymän raja-arvon pienentymisen. Tutkimuksessa ei oteta tarkemmin kantaa FE-mallin aiheuttaman virheen suuruuteen, vaan ilmoitetaan tulokset laskennan mukaisina.

The Research problem is defined as the damage resiliance of a steel bridge, specifically limited to the damage caused to the steel deck by the intermediate support. The damage to the intermediate support is considered as the tilting of the support structure, assuming that the bridge deck moves along with the tilt of the intermediate support. The study does not examine the detailed behavior of the connection between the support bearing and the bridge deck structure, instead it is assumed that the same deformations for the deck as for the top of the pillar. The aim of the research is to provide a detailed precedent for designers to analyze the stresses caused to the deck structure by the displacement of the intermediate support. Based on the study, designers will be able to create reliable calculations for analyzing damaged structures even before measurement results are available. Other objectives include identifying possible missing parts in the Eurocodes and analyzing a damaged bridge currently in use. The effects of displacements are calculated for the actual bridge where tilting of a pillar has caused problems for the steel deck structure. The calculation results are compared with measured results from the site. The calculation uses a Eurocode-based method, where loads are determined according to the available standards. One challenge of the study is to produce a realistic load scenario for the current state of the bridge using Eurocodes. In the Eurocodes many loads are specified for recurrence intervals of 50 to 100 years, but the bridge in question will only be in use for another 5 years. Exceptions to the Eurocode-based calculations are made where the standards are insufficient. The design train load specified in the Eurocode is much greater than the actual train traffic on the bridge, so a load diagram D4 from another standard is used to represent the actual train load. The wind speed is reduced to 15.5 m/s using the reduction coefficient for natural phenomena allowed in the Eurocode. The Eurocode lacks a practical method for determining the stiffness of the joint connection for the bridge being studied. The stiffness of the joint connections is found to be very significant for the reliability of the results. Formulas are derived to calculate an estimate of the joint's spring stiffness. These formulas cannot be directly applied to other cases. A FEM calculation model of the entire bridge deck is created and validated using manual calculations and a simpler calculation model. Validation to reality using a test load was not completed. FE model is used to calculate normal forces, moments and stresses of the steel structures. Based on the calculations, displacement limits for the intermediate support structure are determined, with the first limit being the yield strain of the first component of the bridge deck and the second limit being the yield strain of the main girder. As an additional examination, the bridge deck is loaded to fracture using the bar removal method. The calculation results indicate that the damage to the intermediate support causes significant loads on the wind bracing of the steel bridge. The damage to the intermediate support affects the entire length of the bridge, making the calculation model for the intermediate support area insufficient. In the examined bridge the calculated results of the FE-model produce incorrectly high stress spikes, causing the reduction of the calculated displacement limits. In this study the size of the FE-calculation error isn’t determined, and the result of the calculation is presented as real.