Jännitettyjen hiilikuitunauhojen käyttö sillan vahventamisessa

Abstract

Siltakannan korkea ikä ja osittain heikentynyt kunto ei välttämättä vastaa kasvaneiden liikennekuormien vaatimuksia. Korjausvelkaa on paljon ja uusien siltojen rakentaminen on monessa tapauksessa aikaa vievä ja kallis vaihtoehto. Taloudellisempaa ja ilmastoystävällisempää on jatkaa olemassa olevan sillan käyttöikää vahventamalla se nykyisiä kuormia vastaavaksi. Vahventaminen voidaan toteuttaa eri tavoin ja tässä työssä perehdytään vahventamiseen jännittämällä. Jännittämisen perusajatuksena on puristaa betonirakennetta kokoon sen pituussuunnassa, jolloin saadaan parannettua rakenteen taivutus-, leikkaus-, ja vääntökestävyyttä. Aktiivisen puristuksen lisäksi jänteet toimivat passiivisena lisäraudoituksena. Jännittämällä on jänteen epäkeskisyyden vuoksi mahdollista myös palauttaa sillassa tapahtunutta taipumaa ja pienentää halkeamia. Työssä tutkitaan hiilikuidun käyttöä jännemateriaalina. Jännittämiseen on käytetty perinteisesti korkealujuusteräksestä valmistettuja jännepunoksia, jotka ankkuroidaan rakenteen päihin. Niiden sijaan käytettävillä hiilikuitunauhoilla on useita materiaalikohtaisia etuja teräkseen verrattuna, kuten ruostumattomuus, pienet jännevoiman häviöt ja erittäin korkea vetolujuus. Nykyisillä hiilikuitunauhojen kiinnitysratkaisuilla ei kuitenkaan voida hyödyntää nauhan täyttä vetolujuutta. Toinen hiilikuitunauhojen käyttöön liittyvä hidaste on suunnittelun puutteellinen ohjeistus. Hiilikuitu on materiaalina täysin elastinen, mikä tekee sen mitoituksesta poikkeavan jänneteräksiin verrattuna. Hiilikuidun käyttöä jännemateriaalina tutkitaan perehtymällä olemassa olevaan kirjallisuuteen ja aiempiin tutkimustuloksiin aiheesta. Tämän lisäksi työssä esitetään jännittämällä vahvennettavan siltarakenteen mitoitus murto- ja käyttörajatiloissa. Kirjallisen esityksen lisäksi työssä on tarkasteltu laskennallisesti kaksi esimerkkikohdetta, joissa on vertailtu vahventamista hiilikuitu- ja teräsjäntein. Työn tuloksena voidaan todeta jännittämällä vahventamisen olevan tehokas tapa sillan kantokyvyn kasvattamiseen, mikäli kyseinen silta on vahventamistavalle sopiva. Suurin vaikutus jännittämisellä on taivutuskapasiteettiin, mutta se parantaa kohtalaisesti myös leikkaus- ja vääntö-kestävyyttä. Laskennan tuloksista havaitaan myös jännittämisen aiheuttama merkittävä parannus käyttörajatilan arvoissa. Laskennan tuloksiin ja kirjalliseen tutkimukseen perustuen voidaan sanoa hiilikuidun olevan erinomainen jännemateriaali, mutta olemassa olevilla kiinnitysratkaisuilla materiaaliominaisuuksien täysi hyödyntäminen ei onnistu. Tämän seurauksena hiilikuitu ja teräs ovat laskennallisesti hyvin lähellä toisiaan. Hiilikuitunauhoilla materiaalimenekki on pienempi, mutta niillä ei voida toteuttaa teräsjänteille ominaista kaarevaa jännekulkua. Valinta jännittämisjärjestelmien välillä on siis hyvin tapauskohtainen ja riippuu paljon vahvennettavasta kohteesta, sekä jännejärjestelmien ja työvoiman saavutettavuudesta.

The high age and partially deteriorated condition of the bridges may not meet the requirements of increased traffic loads. There is a large renovation debt and building new bridges is typically a time-consuming and expensive option. It is more economical and climate-friendly to extend the service life of an existing bridge by strengthening it to meet current loads. Strengthening can be done in different ways, and in this research project, the focus is on strengthening by post-tensioning. The basic idea of tensioning is to compress the concrete structure lengthwise, which improves the resistance of the structure against bending, shear, and torsional forces. In addition to active compression, the tendons act as additional passive reinforcement. Due to the eccentricity of the tendon, tensioning also makes it possible to restore deflection in the bridge and reduce cracks. The thesis studies the use of carbon fibre reinforced plastic alias CFRP-plates as a tendon material. Traditionally, high-strength steel strands have been used for tensioning, which are anchored to the ends of the structure. The carbon strips used instead have several material-specific advantages over steel, such as corrosion resistance, low prestressing loss and very high tensile strength. However, current fastening solutions for CFRP-plates cannot take advantage of the tape's full tensile strength. Another problem related to the use of carbon fibre strips is the lack of design guidelines. As a material, carbon fibre is completely elastic, which makes design work different compared to traditional steel tendons. The use of carbon fibre as a tendon material is studied by reviewing existing literature and previous research results on the subject. In addition, the thesis presents the design of the bridge structure to be strengthened by post-tension in ultimate and operating limit states. In addition to the written presentation, there is calculation examples of two structures comparing strengthening with CFRP-plates and steel tendons. As a result of the work, it can be concluded that strengthening with post-tensioning is an effective way to increase the bearing capacity of a bridge, if the bridge in question is suitable for the method. Post-tension has the greatest effect on bending capacity, but it also moderately improves shear and torsional resistance. The results of the calculation also show a significant improvement in the values of the operating limit state due to tension. Based on the results of the calculation and written research, carbon fibre can be said to be an excellent tendon material, but with existing fastening solutions, it is not possible to take full advantage of the material properties. As a result, carbon fiber and steel are computationally very close to each other. Carbon fibre strips have a lower material consumption, but they cannot be used in the curved span like steel tendons. The choice between tensioning systems is therefore very case-specific and depends a lot on the structure to be strengthened, as well as on the accessibility of the tendon systems and competent workforce.