Kiviset holvisillat : Luonnonkivirakenteiden erityispiirteet, rakenteellinen toiminta, analysointi ja kantavuus

Abstract

Diplomityössä tutkitaan kivisten holvisiltojen rakenteellista toimintaa ja kantavuutta. Tutkimuksen tavoitteena on tuottaa uutta tietoa suomalaisten siltojen toiminnasta sekä selkeyttää siltojen kantavuuden arviointiin käytettäviä menetelmiä.

Kiviset holvisillat ovat muurattuja rakenteita, joiden kyky vastustaa ulkoista kuormaa perustuu niiden geometriaan eli muotoon. Muurattuja holvisiltoja on perinteisesti rakennettu joko luonnonkivestä tai tiilestä. Sillan pääasiallinen kantava rakenne on siltaholvi. Holvin liikkeitä vastustavat pystysuunnassa sillan sivumuurit sekä sivu- ja pystysuunnassa sillan kantamuurit. Maatäytteisen holvisillan täytteen paino kasvattaa holvissa vaikuttavaa puristusta. Lisäksi täyte vastustaa holvin vaaka- ja pystysuuntaisia liikkeitä.

Siltojen rakenteellista toimintaa ryhdyttiin tutkimaan tieteellisesti noin 60 vuotta sitten. Tutkimus on edelleen ajankohtaista maissa, joissa muurattujen holvisiltojen osuus tie- tai rataverkon sillastosta on suuri. Kantavuuden arviointiin käytetyt laskennalliset menetelmät ovat toistaan tarkempia, eikä yleisesti hyväksyttyjä menetelmiä ole toistaiseksi kehitetty. Ennen 2000-lukua siltojen tutkimus keskittyi laajasti murtorajatilaan liittyviin ilmiöihin. Materiaaliltaan luja ja jäykkä silta muuntuu sortuessaan mekanismiksi. Kantavuuslaskennassa on usein käytetty yksinkertaista kaksiulotteista mallia, jossa sillan leveys otetaan huomioon tehollisen leveyden avulla. Todellisuudessa siltojen toiminta on voimakkaasti kolmiulotteista. Kokemusperäisesti on voitu osoittaa, että sillat harvoin sortuvat liiallisen kuorman alla. Uusimman tutkimuksen mukaan sillan kestävyys heikkenee, kun toistuva liikennekuorma aiheuttaa rakenteen saumojen avautumista ja sulkeutumista. Ilmiö voimistuu, mikäli sillan tuet ovat heikkokuntoiset. Tavanomaiset käyttörajatilatarkastelut eivät sovellu muuratuille holvisilloille, sillä tämänkaltaisille rakenteille halkeilu on luonteenomaista. Vaurioitumisen ennakoimiseksi on kehitetty uusi käyttörajatilaa vastaava rajatila Permissible Limit State (PLS).

Tutkimus koostuu kirjallisuustutkimuksesta sekä laskennallisista tarkasteluista. Kirjallisuustutkimuksessa on syvennytty muuratun kaaren analysoinnin historiaan, kaarien erilaisiin muotoihin sekä muuratun rakenteen ja luonnonkivirakenteiden materiaaliominaisuuksiin. Lisäksi on tutkittu suomalaisten siltojen erityispiirteitä sekä kantavuuden arviointiin soveltuvia uusimpia ohjeita ja menetelmiä. Laskentatarkasteluissa sillan toimintaa ja kantavuutta on tutkittu plastisen rajakuormamenetelmän avulla yksinkertaistetusti sekä tarkemmin sovellusohjelmalla RING 4.0.

Tutkimuksessa havaittiin, että maatäyte vaikuttaa huomattavasti kivisen holvisillan rakenteelliseen toimintaan sekä kantavuuteen sillan sortuessa. Laskennan tulokset riippuvat kuitenkin voimakkaasti laskentamalliin syötetyistä parametreista, kuten holvin puristuslujuudesta sekä täytteen ominaisuuksista. Lisäksi havaittiin, että tukipainumien vaikutusten arviointi on mahdollista käyttämällä plastista rajakuormamenetelmää, mutta tällöin arvio kantavuudesta perustuu vain holvin muodon vääristymiseen.

This thesis investigates the structural behaviour and load-bearing capacity of stone masonry arch bridges. The objective is to provide new information about Finnish stone arch bridges and clarify the methods currently used to assess their strength.

Masonry arches gain their strength from their shape. Bridges are typically built from stone or brick masonry and their main supporting element is the arch to which spandrel walls provide resistance to upward movement. The abutments provide the vertical and horizontal resistance to restrain the arch. The weight of the soil infill pre-stresses the arch and thus enhances the resistance to external applied loads while providing passive restraint.

Research on masonry arch bridges has been ongoing for the past 60 years, particularly in countries where arch bridges form a significant proportion of total bridge stock. However, there is currently no widely accepted structural assessment procedure. At present bridges are mainly assessed using Ultimate Limit State (ULS) criteria, as earlier studies conducted in second half of the 20th century primarily focused on how bridges collapse under excessive loads. A simplified two dimensional calculation model has generally been used, although in reality, bridges are inherently three dimensional structures. Anecdotal evidence suggests that bridges rarely collapse due to excessive live loads. Recent research indicates that damage is more likely under the repeated action of service loads which causes opening and closing of masonry joints. Unlike other common materials, a Serviceability Limit State (SLS) with limiting factors cannot be applied to masonry arches. Thus, a new safety assessment criteria, Permissible Limit State (PLS), has recently been proposed to predict progressive degradation.

The first part of this thesis comprises a literature review, while the second part focuses on computational analysis. The literary review is divided into three sections, the first of which examines the historical development of the masonry arch, the variations of arch shapes used in Finnish stone bridges, and the mechanical and material properties of masonry and natural stone. The second section focuses on the structural components of masonry arch bridges and their combined behaviour. Additionally, it presents statistics on the Finnish road and railway bridge population. The third section evaluates the latest guidelines and procedures for bridge assessment. Plastic limit analysis is used to assess rigorously bridge behaviour and load-bearing capacity under collapse conditions using both a simplified model and an automated software program RING 4.0.

The findings indicate that limit analysis methods can be used to assess Finnish stone arch bridges, while soil infill significantly influences the behaviour and capacity of the bridge. However assessment results are highly dependent on input parameters, such as key parameters masonry compressive strength or specific weight and internal friction angle of soil. Furthermore, evaluating the effects of support movements becomes challenging using limit analysis methods, as analysis can be performed assessing only the distorted arch profile.