Suokannan rautatiesilta: vanhan teräspalkkibetonisen laattasillan koekuormitus
Tulonen, Joonas (2012)
Tulonen, Joonas
2012
Rakennustekniikan koulutusohjelma
Rakennetun ympäristön tiedekunta - Faculty of Built Environment
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2012-09-05
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201210221322
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201210221322
Tiivistelmä
Betonin ja teräksen liittorakenteet ovat siltojen ja muiden rakenteiden suunnittelussa yleisiä, koska ne pystyvät tehokkaasti käyttämään molempien materiaalien parhaimpia puolia kuormien kuljettamisessa päällysrakenteelta perustuksille. Liittorakenteiden yleistyminen 1900 –luvun puolestavälistä nykypäivään oli seurausta eri materiaalien liitostekniikan ja suunnittelumenetelmien kehittymisestä. 1900 –luvun alkupuolella rakennettiin Suomen rautateille kuitenkin runsaasti siltoja, joissa teräspalkit oli valettu betonin sisään ilman liitoselimiä ja suunnittelussa teräspalkkien oletettiin kantavan kaikki kuormat ilman betonin laskennallista apua. Tälläisen teräspalkkibetonisen sillan kantavuutta nykyaikana arvioitaessa on betonin ja teräksen liittovaikutuksen huomiointi kuitenkin tärkeää rakenteen todellisen käyttäytymisen määrittämiseksi.
Tässä tutkimuksessa koekuormitetaan vanha käytöstä poistettu teräspalkkibetoninen rautatiesilta murtoon tarkoituksena tuottaa hyödyllistä tietoa kantavuuslaskennan käyttöön. Tutkimus alkaa perehtymisellä tutkimuskohteeseen sekä teräspalkkibetonisten rautatiesiltojen historiaan ja suunnitteluperusteisiin. Näiden lähtötietojen avulla pystytään valitsemaan ne oleelliset tutkimusmentelmät, joita käyttäen pystytään mahdollisimman hyvin selvittämään toimiiko vanha teräspalkkibetoninen silta liittorakenteena ja mitä edellytyksiä liittovaikutuksen olemassaolo vaatii. Lisäksi pyritään tarkastelemaan kuormien jakautumista sillan jänneväliin nähden poikittaisessa suunnassa sekä rakenteen yleistä kuntoa.
Tutkimuksen pääosan muodostavat koekuormitukset ja koekuormitusten simulointi tietokoneella. Koekuormitettavien siltakansien ominaisuudet määritetään laskennallisesti siten, että esille saadaan mahdollisimman tarkasti niiden rakenteellinen toiminta teoriassa. Laskennassa käytetään poikkileikkauksille määritettyä momentti-käyristymä yhteyksiä ja FE –analyysia. Koekuormituksessa mitataan rakenteista erilaisia muodonmuutoksia, kuten taipumia ja rakenneosien venymiä sekä kuormittavaa voimaa. Täten laskennallisesti saatuja ja mitattuja tuloksia vertaamalla pystytään päättelemään mitä rakenteessa on tapahtunut milläkin kuormittavan voiman tasolla ja kuinka hyvin rakenteen todellinen toiminta on vastannut liittorakenteiden teorian mukaista toimintaa.
Tuloksia tarkastelemalla pystytään toteamaan, että koekuormitettu rakenne toimii hyvin liittorakenteena ja rakenteen käyttäytyminen oli odotetun kaltaista. Mittausten kautta pystytään kuitenkin tunnistamaan seikkoja, jotka mahdollisesti vaikuttavat rakenteen liittovaikutuksen tehokkuuteen ja kantavuuteen. Esille nousseita seikkoja on käytettävä analysointitapa, tartuntajännitys teräksen ja betonin välillä sekä rakenteen kestävyys poikittaisessa suunnassa. Saavutettujen tulosten voidaan katsoa täyttäneen työlle asetetut tavoitteet erittäin hyvin, sillä teräspalkkibetonisen sillan kantavuuden arviointi on tulosten perusteella mahdollista tehdä aiempaa tarkemmin. Composite structures of steel and concrete are usual in modern bridge and structural design because they utilize the best features of both materials in carrying the loads from superstructure to the foundations. The increasing use of composite superstructures from the mid 20th century to this day was due to the technological advances in both joining the materials together and refining of the design methods. In the beginning of the 20th century many Finnish railway bridges were built in a way in which rolled steel beams were cast in concrete without mechanical shear connection and the composite action of the steel and the concrete was ignored. When assessing capacity of this kind of filler-beam bridge today, it is necessary to take into account the composite action to find the real bearing capacity of the structure.
In this thesis, an old decommissioned filler-beam railway bridge deck is tested to provide useful information for assessment of such bridges. The thesis begins with review on the test subject and also on the history and the design standards of the filler-beam railway bridges. Using the obtained information it is possible to choose the valid research methods for studying the composite action and its prerequisites. Also transverse load distribution and general condition of the bridge decks are of interest.
The main body of this thesis consists of the documentation of the testings and of the computer simulation of the testings. The mechanical properties of the bridge decks being researched are calculated so that the theoretical response of the structure to loading may be observed in detail. In theoretical approach, moment-curvature calculations of cross-sections and FE –analysis are used to simulate the actual tests. Transformations, like strains and deflections, are measured in the tests along with the load acting on the structure. One can then deduce how the structure performed as composite structure with different levels of loading when comparing the results obtained from experiments and calculations.
Comparing the results, the structure can be found to have performed well as a composite structure in an expected way. Factors affecting the effectiveness of the composite action and the capacity of the test subjects can also be observed from the results. These factors include: the way the structure is analysed, bond stress between steel and concrete and structure resistance in transverse direction. The obtained results allow more detailed assessment of old filler-beam-bridges. Therefore the objectives set for the study can be found to be successfully achieved.
Tässä tutkimuksessa koekuormitetaan vanha käytöstä poistettu teräspalkkibetoninen rautatiesilta murtoon tarkoituksena tuottaa hyödyllistä tietoa kantavuuslaskennan käyttöön. Tutkimus alkaa perehtymisellä tutkimuskohteeseen sekä teräspalkkibetonisten rautatiesiltojen historiaan ja suunnitteluperusteisiin. Näiden lähtötietojen avulla pystytään valitsemaan ne oleelliset tutkimusmentelmät, joita käyttäen pystytään mahdollisimman hyvin selvittämään toimiiko vanha teräspalkkibetoninen silta liittorakenteena ja mitä edellytyksiä liittovaikutuksen olemassaolo vaatii. Lisäksi pyritään tarkastelemaan kuormien jakautumista sillan jänneväliin nähden poikittaisessa suunnassa sekä rakenteen yleistä kuntoa.
Tutkimuksen pääosan muodostavat koekuormitukset ja koekuormitusten simulointi tietokoneella. Koekuormitettavien siltakansien ominaisuudet määritetään laskennallisesti siten, että esille saadaan mahdollisimman tarkasti niiden rakenteellinen toiminta teoriassa. Laskennassa käytetään poikkileikkauksille määritettyä momentti-käyristymä yhteyksiä ja FE –analyysia. Koekuormituksessa mitataan rakenteista erilaisia muodonmuutoksia, kuten taipumia ja rakenneosien venymiä sekä kuormittavaa voimaa. Täten laskennallisesti saatuja ja mitattuja tuloksia vertaamalla pystytään päättelemään mitä rakenteessa on tapahtunut milläkin kuormittavan voiman tasolla ja kuinka hyvin rakenteen todellinen toiminta on vastannut liittorakenteiden teorian mukaista toimintaa.
Tuloksia tarkastelemalla pystytään toteamaan, että koekuormitettu rakenne toimii hyvin liittorakenteena ja rakenteen käyttäytyminen oli odotetun kaltaista. Mittausten kautta pystytään kuitenkin tunnistamaan seikkoja, jotka mahdollisesti vaikuttavat rakenteen liittovaikutuksen tehokkuuteen ja kantavuuteen. Esille nousseita seikkoja on käytettävä analysointitapa, tartuntajännitys teräksen ja betonin välillä sekä rakenteen kestävyys poikittaisessa suunnassa. Saavutettujen tulosten voidaan katsoa täyttäneen työlle asetetut tavoitteet erittäin hyvin, sillä teräspalkkibetonisen sillan kantavuuden arviointi on tulosten perusteella mahdollista tehdä aiempaa tarkemmin.
In this thesis, an old decommissioned filler-beam railway bridge deck is tested to provide useful information for assessment of such bridges. The thesis begins with review on the test subject and also on the history and the design standards of the filler-beam railway bridges. Using the obtained information it is possible to choose the valid research methods for studying the composite action and its prerequisites. Also transverse load distribution and general condition of the bridge decks are of interest.
The main body of this thesis consists of the documentation of the testings and of the computer simulation of the testings. The mechanical properties of the bridge decks being researched are calculated so that the theoretical response of the structure to loading may be observed in detail. In theoretical approach, moment-curvature calculations of cross-sections and FE –analysis are used to simulate the actual tests. Transformations, like strains and deflections, are measured in the tests along with the load acting on the structure. One can then deduce how the structure performed as composite structure with different levels of loading when comparing the results obtained from experiments and calculations.
Comparing the results, the structure can be found to have performed well as a composite structure in an expected way. Factors affecting the effectiveness of the composite action and the capacity of the test subjects can also be observed from the results. These factors include: the way the structure is analysed, bond stress between steel and concrete and structure resistance in transverse direction. The obtained results allow more detailed assessment of old filler-beam-bridges. Therefore the objectives set for the study can be found to be successfully achieved.