Konstruktiv analyse og kapasitetskontroll av bruer med alkalireaksjonerKathrine Mürer Stemland, NTNU

Alkali-Silika reaksjon (ASR)

ASR er en nedbrytningsmekanisme som skyldes kjemiske reaksjoner mellom alkalireaktive bergarter i tilslaget (SiO2) og alkalier (Na+, K+) i porevannet til sementpastaen.

Reaksjonsproduktet er en alkali-silika gel som sveller/ekspanderer ved vannabsorpsjon.

Alkali-Silika reaksjon (ASR)

ASR fører til at betongen ekspanderer.

Dette gir: Strekkspenninger som fører til

mikro-opprissing.

Lastvirkninger på en konstruksjon

Konstruktive effekter av alkalireaksjoner

Arbeidet har vært knyttet til brukonstruksjoner, primært overbygningen. (bjelker/plater).

I konstruktive analyser av brubjelker snakkes det om ekspansjonen i bjelkens lengderetning.

Ekspansjonen beskrives som en tøyning, ε, i ‰ [mm/m]

Beregningsprosedyre basert på SSV rapport, «Alkalireaksjoner - veiledning til konstruktiv analyse»

ASR – effekter på en brubjelke I en armert betongkonstruksjon er det kun betongen som ekspanderer, ikke armeringen. På grunn av heft mellom betong og armering, blir armeringen «tvunget» til å følge betongen. Dette gir strekkspenninger i armeringen som setter opp en aksialkraft og et moment på tverrsnittet. Strekkspenningene i armeringen blir holdt i likevekt av trykkspenninger i betongen. Trykkspenningene reduserer den frie ASR ekspansjonen noe.

Fri ekspansjon

Ekspansjon av armert betong

Eksempel: Ekspansjon av fritt opplagt bjelke med armering i underkant

L

𝜀𝜀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 =𝑁𝑁𝐸𝐸𝐸𝐸

+𝑀𝑀𝐸𝐸𝐸𝐸

� 𝑦𝑦 𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 = 𝜀𝜀𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝜀𝜀𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹

𝑁𝑁𝑠𝑠 = 𝐸𝐸𝑠𝑠 � 𝐸𝐸𝑠𝑠 � 𝜀𝜀𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹

Eksempel: Ekspansjon av fritt opplagt bjelke med armering i underkant

L

Eksempel: Ekspansjon av fritt opplagt bjelke med armering i underkant

𝜅𝜅 =𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇,𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 − 𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇,𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏

ℎ∆ = 𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇,𝑇𝑇𝑇𝑇 � 𝐿𝐿

Konstruktive konsekvenser Ekspansjonen gir:

Indre spenninger avhengig av armeringsføring i hvert snitt, som tidligere illustrert. Fastholding/tvangskrefter på et statisk ubestemt system

Tvangskrefter fra alkalireaksjoner: Momentvirkning i overbygningen fra krumning, 𝜿𝜿, av bjelkene Aksialkraft i overbygningen fra forskyvningen, Δ, (fra søylene - som ofte neglisjeres) Momenter i søylene og overbygningen fra forskyvningen,Δ

Eksempel kontinuerlig system: Elgeseter bru

Beregning av kontinuerlig bjelke

Ulik armering i ulike snitt. Gir ulik effekt av ASR-ekspansjonen i de respektive snittene.

κ og Δ kan settes på som temperaturlaster i beregningsprogram (Δ relateres da til tøyningen 𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇,𝑇𝑇𝑇𝑇)

I et program der en bjelke er modellert med armering, kan εFRI settes på direkte.

∆𝑇𝑇𝑁𝑁 = 𝜀𝜀𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇,𝑇𝑇𝑇𝑇/α

∆𝑇𝑇𝑀𝑀 = 𝜅𝜅 � h/α

Momenter fra ekspansjonen

På grunn av krumning, κ

På grunn av forskyvnig, Δ

Konstruktive konsekvenser

Det som bestemmer lastvirkningen fra alkalireaksjoner er først og fremst bæresystemet, størrelsen og fordelingen av ekspansjonen og hvordan tverrsnittet er armert.

Når lastvirkningen fra alkalireaksjoner vurderes sammen med øvrige lastvirkninger er det tvangskreftene en er ute etter. -> Tilleggskrefter som konstruksjonen ikke er dimensjonert for

De indre spenningene påvirker tøyningstilstanden i snittet og når det blir flytning i armeringen.

Vurdering av ekspansjon

ASR ekspansjonen kan være lik over tverrsnittet, men kan også variere f.eks pga. varierende fukttilgang.

ASR ekspansjonene antas vanligvis å være lik i hele bruas lengde, men kan også variere f.eks dersom det er brukt forskjellige tilslag i ulike deler av brua. Ivaretas ved at ulik fri tøyningsfordeling spesifiseres i ulike snitt i bruas lengde.

εFRI = 1 ‰ εFRI = 0,5 ‰

14

Vurdering av ekspansjon

Regnemodeller presentert i SSV rapport «Alkalireaksjoner - veiledning til konstruktiv analyse»; Modell 1, Modell 2 og Modell 3

Modell 1: Bjelke eller plate med jevn (konstant) eller lineær ekspansjon over tverrsnittet

Modell 2: Bjelke eller plate med større ekspansjon i en del av tverrsnittet. (f.eksT-bjelke med større ekspansjon i plata enn i steget)

Modell 3: Ulik ekspansjon i tverrsnittets bredderetning

15

Vurdering av ekspansjonEksempel: Elgeseter bru Kombinasjon av Modell 1, Modell 2 og Modell 3 konstant i hele bruas

lengderetning. Forlengelse, Δ, beregnet ut fra denne fordelingen av ekspansjon stemmer bra med

målinger som er gjort. Hvis total forlengelse ikke stemmer bør prosedyren gjentas med ny antatt

ekspansjon.

Endring i indre tøyningstilstand (Elgeseter bru)

0200400600800

10001200140016001800

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5

h [m

m]

Tøyning, ε [‰]

Momentnullpunkt

ASR (1+2+3)

Mi

Total

0200400600800

10001200140016001800

-0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

h [m

m]

Tøyning, ε [‰]

Midt i felt

ASR (1+2+3)

Egenvekt

Mi

Total

17

Elgeseter bru - momentnullpunkt Store riss i momentnullpunkt – mest sannsynlig fra ASR. Innspenningsmoment begrenset av kapasiteten til tverrsnittet ved

momentnullpunktet.

18

Omfordeling av krefter

Flyteledd i momentnullpunkt, kreftene vil fordele seg annerledes Uønsket: mindre kontroll

System med ledd i momentnullpunkt:System uten ledd i momentnullpunk:

19

Labforsøk Overordnet mål: Utvikle metoder for å bestemme ekspansjonen i virkelige

konstruksjoner basert på feltprøver Støpt ut terninger som er ekspandert til forskjellige nivå Bestemmer SDI og mekaniske egenskaper for disse nivåene. Relasjon mellom felt og lab?

20

Labforsøk – Stiffness damage test (SDT)

21

Labforsøk – sammenheng mellom SDI og ekspansjon

(Kongshaug)(Sanches)

Labforsøk – sammenheng mellom ekspansjon og mekaniske egenskaper

Trykkfasthet E-modul

(Kongshaug) (Kongshaug)

23

SDT fra virkelig konstruksjon

Kjøkøysund bru

0

5

10

15

20

25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

Spen

ning

[Mpa

]

Tøyning [‰]

Bruddspenning: 44,5 MPa1,08 - 1,27 ‰

3030630306

OPP:1 - 106702 - 153843 - 157344 - 157945 - 15865

NED:1 - 168372 - 163833 - 162934 - 162215 - 16084

Voll bru

0

5

10

15

20

25

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2Sp

enni

ng [M

Pa]

Tøyning [‰]

Bruddspenning: 46,4 MPa0,21-0,26 ‰

34247

34247

OPP:1 - 250552 - 276563 - 275864 - 274575 - 27389

NED:1 - 28536 2 - 280613 - 278294 - 276635 - 27504

24

Kapasitetskontroll Endring i mekaniske egenskaper; trykkfasthet, strekkfasthet, heftfasthet, skjærfasthet

og E-modul Trykkfasthet og E-modul; Prøver fra konstruksjon Strekkfasthet; vanskelig å bestemme -> det beste er evt. spaltestrekk Heftfasthet og skjærfasthet; krever konstruktiv prøving, vanskelig å ta ut slike prøver fra eksisterende bru -> må

baseres på tidligere undersøkelser

Avklaring rundt betydningen av tilleggstøyningen i armeringen Påvirker tilleggslast før flytning, men ikke kapasiteten

Egenskap Ekspansjon [mm/m]

0,5 1,0 2,5 5,0 10,0

Trykkfasthet terning 100 85 80 75 70

Strekkfasthet 85 75 55 40 -

E-modul 100 70 50 35 30

Tabell: Reduksjon i mekaniske egenskaper avhengig av ekspansjonsnivå (fra litteratur)

25

Oppsummering

ASR gir tilleggskrefter på en konstruksjon Regnemodeller for å beregne kreftene når vi vet ekspansjonen Usikkerhet knyttet til størrelse og fordeling av ekspansjonen Labforsøk for å utvikle metoder for å bestemme ekspansjonen i virkelige

konstruksjoner basert på feltprøver

Takk for meg