Jatkuvan teräsbetonisen kotelopalkkisillan toiminnan analysointi koekuormitusten avulla

Abstract

Teräsbetoninen kotelopalkkisilta on ollut yleinen siltaratkaisu erityisesti pitkän jännevälin vesistösillaksi 1900-luvun jälkipuoliskolla. Kotelopalkkirakenne on halkeilemattomana hyvin tehokas vastaanottamaan sekä taivutuksen että väännön aiheuttamia rasituksia. Kotelopalkkirakenne on hyvin kevyt, sillä ontot kotelot keventävät rakennetta merkittävästi pienentämättä poikkileikkauksen rakennekorkeutta. Toisaalta poikkileikkauksen suljetun luonteen sekä suurten ulkomittojen vuoksi rakenne on halkeilemattomana myös hyvin vääntöjäykkä. Halkeilun myötä rakenteen toiminta kuitenkin muuttuu oleellisesti, mikä tekee kotelopalkkisiltojen toiminnan numeerisesta mallintamisesta haastavaa.

Kotelopalkkisillan rakenteellisen toiminnan tarkasteluun on ajan saatossa kehitetty useita erilaisia rakennemallityyppejä. Eri mallityyppien tavoitteena on ollut kuvata tiettyä rakenteellisen toiminnan ilmiötä mahdollisimman tarkasti. Mallit ovat olleet tyypillisesti lineaarielastisia FEM-malleja. Liikennekuormien kasvun myötä useat kotelopalkkisillat ovat rasittuneet jopa kantokykynsä ylärajalle, minkä seurauksena niiden halkeilu on voimistunut merkittävästi. Halkeilun voimistumisen vuoksi on ilmennyt tarve tarkastella halkeilun vaikutusta kotelopalkkisillan rakenteelliseen toimintaan tarkemmin.

Tässä työssä tarkastellaan erilaisten FEM-rakennemallityyppien soveltuvuutta kotelopalkkisiltojen rakenteellisen toiminnan analysointiin. Työssä tarkastellaan palkki- ja kuorimalleja sekä arinamallin laattamaisia ja palkkimaisia sovelluksia. Tarkasteluissa rakennemallien tuottamia siirtymiä verrataan kahden todellisen sillan koekuormitusmittausten vastaaviin siirtymiin. Vertailun pohjalta muodostetaan kuva siitä, miten kyseisten siltojen numeeriset rakennemallit toimivat verrattuna todellisuuteen. Lisäksi vertailun perusteella muodostetaan kuva tarkasteltavien siltojen halkeilutilasta.

Työssä osoitettiin, että palkki-, arina- ja kuorimallit soveltuvat varsin hyvin kotelopalkkisillan rakenteellisen toiminnan mallintamiseen erityisesti halkeilemattomassa tilassa. Siirtymät olivat mallien välillä lähes identtisiä, ja niiden suuruusluokka vastasi hyvin koekuormitusmittausten siirtymien suuruusluokkaa. Halkeilun todettiin vaikuttavan rakenteen vääntökäyttäytymiseen hyvin vähän, kun rakenteen taivutusjäykkyys otaksuttiin halkeilemattoman tilan mukaiseksi. Kuitenkin alentuneen taivutusjäykkyyden myötä myös vääntöjäykkyyden alenemisen vaikutukset siirtymiin voimistuivat.

Taivutus- ja vääntöjäykkyyksien suhde osoittautui kaikissa tarkasteluissa oleelliseksi tunnusluvuksi kotelopalkkisillan toimintamallin tunnistamisessa. Kauttaaltaan alhainen suhdeluku vaikutti tarkastelluissa silloissa viittaavan sillan laattamaisempaan toimintaan. Sen sijaan korkeampi suhdeluku vaikutti viittaavan palkkimaisempaan toimintaan.

Kaikkien tarkasteltujen rakennemallien tasavertaisuus oli siltojen kantavuustarkastelujen näkökulmasta oleellinen tutkimustulos. Koska rakennemallien toiminta vastasi myös selvästi halkeilleella sillalla hyvin sillan todellista käyttäytymistä, voitiin päätellä numeeristen kantavuustarkastelujen olevan melko luotettavia. Koekuormituksilla saadaan tarkempi käsitys tietyn sillan halkeilutilan vaikutuksesta sen toimintaan, mutta tutkimuksen perusteella myös suunnittelu- ja laskentaohjeiden esittämät yleistetyt arviointimallit ovat varsin toimivia kuvaamaan halkeilun vaikutuksia.