There are a great number of old structures around the world, some of which were designed for completely different purposes than in their current application. Swedish railway bridges were for example only designed for maximum axle loads of 200 kN in the beginning of the 20th century, while the highest axle loads of today are twice as high. The traffic intensities have also increased dramatically and the velocities are now higher than ever before. Reinforced concrete trough bridges were typically designed and built in the mid-20th century and it is still one of the most frequent railway bridge types in Sweden. The trough bridges were normally designed for traffic loads which were smaller than the loads today and in order to maintain an old structure as the loads increases, structural upgrading of the load bearing capacity might be necessary. Upgrading the load carrying capacity can be performed in two ways, namely administrative upgrading or strengthening. Administrative upgrading refers to refined design calculations, using real material data, geometry and loads, which provides a higher capacity than the original design and the bridge can thereby be upgrading with minor physical impact. Upgrading by strengthening on the other hand, refers to, often, larger physical alteration of the structure in order to enhance the original load carrying capacity.Upgrading methods for increased flexural resistance of concrete trough bridges has been developed and tested previously, but strengthening methods for increased shear resistance in the bridge deck are still absent. The objective of this thesis is therefore to find an existing- or develop a new strengthening method which can be applied in order to enhance the shear resistance of concrete trough bridge decks. The difficulties associated to strengthening of existing railway bridges include traffic during the strengthening work and concrete surfaces concealed by the ballast.The State-of-the-Art indicated that none of the existing strengthening techniques were sufficient for this application and internal unbonded post-tensioning in the transverse direction was nominated as the most promising method. The research was thereafter focused on testing the possibilities and strengthening effects of post-tensioning. Two laboratory investigations were performed during the research project and the method was finally tested in a field test on a 50 years old trough bridge in Haparanda, Sweden. The strengthening procedure of internal unbonded post-tensioning consists of four consecutive steps:1.Transverse drilling of the horizontal holes through the bottom slab.2.Installation of the prestressing system.3.Post-tensioning of the system.4.Sealing of the prestressing system.The laboratory and field tests were successful and the results proved that the internal steel reinforcement within the concrete was compressed when the trough bridge was post-tensioned. Due to the compression, a higher load could be carried by the bridge deck before the tensile reinforcement yields and the bridge fails. In other words, the flexural capacity of the bridge deck was increased. The field test actually showed that eight steel bars, post-tensioned with 430 kN per bar on the Haparanda Bridge, completely counteracted the tensile stresses caused by a train with 215 kN axle loads. The effect on the shear resistance was however not as easy to measure, but the laboratory test recorded a significant strain reduction in the tensile reinforcement which was bent up at the transition zone between the bridge deck and the main girders. The reduced strain might be interpreted as lower shear stresses and post-tensioning can thereby be considered to have a positive effect on the shear resistance of the bridge deck. Shear design according to the protocol of Eurocode 2 or BBK was however found to be restrictive in predicting the post-tensionings effect on the shear capacity and further research is proposed in chapter 8. / Det finns ett stort antal gamla konstruktioner runtom i världen och många byggdes för helt andra användningsområden än vad de numera används till. Som ett exempel kan nämnas att svenska järnvägsbroar i början av 1900-talet byggdes för att klara av att bära axellaster på maximalt 200 kN, medan några av våra nybyggda broar är konstruerade för dubbelt så stora axellaster. Även traffikmängden har mångdubblats och tåghastigheterna är nu högre än någonsin. Trågbroar i armerad betong är en typisk bro som byggdes i Sverige framförallt på 50-talet och den är fortfarande en av de vanligaste brotyperna i Sverige. Trågbroarna konstruerades normalt för att bära lägre laster än vad vi har idag och för att kunna ha kvar dessa broar när lasterna ökar kan det krävas någon form av uppgradering av bärförmågan. Det finns två sätt att förbättra bärförmågan på en gammal bro, nämligen administrativ uppgradering eller förstärkning. Administrativ uppgradering innebär att nya förbättrade beräkningsmetoder används tillsammans med verkliga materialhållfastheter, geometrier och laster för att mer noggrant räkna ut brons bärförmåga. Normalt visar det sig att bärförmågan är högre än vad de ursprungliga beräkningarna antydde. På så vis höjs kapaciteten med minimal fysisk åverkan på bron. Uppgradering genom förstärkning innebär däremot att konstruktionens bärförmåga höjs genom att förändra bron ur ett rent fysiskt perspektiv. Metoder för att öka böjkapaciteten på trågbroar i betong har utvecklats och testats tidigare, men förstärkningsmetoder för att höja tvärkraftskapaciteten saknas däremot fortfarande. Målet för denna avhandling ligger därför i att utveckla en förstärkningsmetod som kan användas för att förbättra tvärkraftskapaciteten för bottenplattan på trågbroar i betong. Det finns dock några svårigheter sammankopplade med förstärkning av befintliga järnvägsbroar, t.ex. tågtraffik under förstärkningsförfarandet och att viktiga betongytor är skyddade av ballast.Inga befintliga förstärkningsmetoder bedömdes däremot som lämpliga för det avsedda användningsområdet vid ”State-of-the-Art’’ studien. Invändig efterspänning av broplattan i tvärledd bedömdes som den bäst lämpade förstärkningsmetoden och efterföljande forskning fokuserades på att reda ut möjligheter för och förstärkningseffekter av efterspänning. Två olika laboratorieförsök genomfördes under forskningsprojektet och förstärkningsmetoden testades slutligen vid ett fältförsök på en 50 år gammal järnvägsbro i Haparanda.Själva tillvägagångssättet för förstärkningsmetoden består av fyra viktigaoch sammanhängande arbetssteg:1. Borrning av horisontella hål tvärs igenom trågbrons bottenplatta.2. Installation av själva försstärkningssystemet.3. Efterspänning av förstärkningssystemet.4. Förslutning av förstärkningssystemet.Både laboratorie och fältförsöken blev lyckade och resultaten visade att stålarmeringen inuti betongen trycktes ihop när trågbron efterspänndes. Tack vare denna kompression så kan broplattan bära högre laster innan dragarmeringen börjar flyta och bron slutligen går sönder. Med andra ord så höjdes brons böjkapacitet. Fältförsöket visade att de åtta spännstagen, efterspännda med 430 kN per stag, helt och hållet motverkade dragarmeringens påkänningar av ett tåg med axellasten 215 kN. Förstärkningsmetodens effekt på tvärkraftskapaciteten är däremot inte lika lätt att påvisa men laboratorieförsöken visade att töjningen reducerades betydligt i den uppbockade dragarmeringen, i zonen där plattan fäster i huvudbalkarna. De lägre töjningsnivåerna kan tolkas som lägre skjuvpåkänningar och efterspänningen kan därmed ha en positiv effekt på broplattans tvärkraftskapacitet. Laboratorieförsöken visade däremot att både Eurokod 2 och BBK är restriktiva när det gäller att uppskatta efterspänningens effekt på tvärkraftskapaciteten. En ny förstärkningsmetod för trågbroar i betong har därmed föreslagits i och med denna avhandling, men en del frågetecken kvarstår och i kapitel 8 ges därför förslag på fortsatta forskningsområden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:ltu-25964 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Nilimaa, Jonny |
| Publisher | Luleå tekniska universitet, Byggkonstruktion och -produktion, Luleå |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Licentiate thesis, comprehensive summary, info:eu-repo/semantics/masterThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | Licentiate thesis / Luleå University of Technology, 1402-1757 |
Page generated in 0.0028 seconds