Prefabricerade samverkansbroar : en studie av torra farbanefogar

This thesis deals with prefabricated composite bridges in general, and prefabricated concrete deck elements with dry joints in particular.As outlined in Paper I and Chapter 2 prefabrication has several advantages over in situ construction, and has hence been discussed for decades in the construction business. Further, the house building sector has taken large steps towards a more industrialized approach, in which prefabrication, lean thinking and Building Information Modelling (BIM) are all important components. Numerous studies have also examined the applicability of such an approach in the bridge sector, and several types of prefabrication techniques have been tested. Nevertheless, in many countries the bridge sector seems to lag far behind in the general shift towards more industrialized construction processes. One of the reasons for the relatively slow progress may be the fact that bridges are often unique objects with unique specifications and constraints. This hinders the standardisation that is often regarded as a key to industrialised construction.Chapter 2-3 and Paper I, presents evidence from a literature review together with information gathered from a Workshop, attended by bridge designers and researcher in Europe and the US, that prefabricated deck elements are still quite rarely used in bridge construction. Deck elements with dry transverse joints are even rarer. Few examples have been reported. In addition, the degree of prefabrication and the rate of progress towards more industrialised construction processes seem to vary substantially from one country to another.However, as described in Chapter 3 and Paper II, a prefabricated concrete deck element system with dry joints has been developed in Sweden for constructing composite bridges. The transverse joints are completely dry, and all forces are transferred by contact pressure between concrete surfaces. This implies that no tensional forces can be transferred over the transverse joints. Shear forces are transferred by overlapping concrete shear keys, designed as a series of male-female connections. The research presented in this thesis is focused on the structural behaviour of this deck element system. In order to investigate this, laboratory tests have been performed as well as field monitoring.Results of large-scale laboratory tests, presented in Chapter 4 and Paper V, show that a bridge of this type is less stiff than a similar bridge with an insitu cast deck slab. The concrete elements’ contributions to stiffness are negligible in sections with hogging moments, but make some contribution to global stiffness in sections with sagging moments. At moderate load levels, the interacting concrete area is much smaller than in a similar in-situ cast section. This is believed to be due to the combined effects of small gaps in the joints and continuous in-situ cast concrete in the injection channels.After the channels have been injected, existing gaps will be more or less permanent, since the in-situ cast concrete must be compressed up to a certain limit before the rest of the joint will be closed. Destructive testing showed that the differences in stiffness and stresses between a deck of this type and an in-situ cast bridge deck are much smaller in the ultimate limit state. In this case it could even be reasonable to design a cross-section according to Eurocodes, neglecting effects of the joints.As shown in Chapter 5 and Paper III, the overlapping shear keys are a critical detailing in this deck system. Therefore, they were tested in the laboratory to determine how they fail and evaluate their load capacity. The tests revealed two failure modes. The first is a rather ductile failure, activating the shear reinforcement. This was the expected failure mode for shear keys of this design. The second failure mode observed was a quite brittle failure in the concrete covering layer. It has only been observed in small-scale tests, and might be related to the test set-up. Nevertheless, overlapping of the rebars in the male-female shear key connection is strongly recommended to assure the robustness of shear transfer if failure occurs in the concrete covering layer.To complement the laboratory tests, a single span bridge was monitored in the field (Chapter 6 and Paper IV). The bridge was built in 2000, using the prefabricated deck system that this thesis is focusing on, and was tested in both 2001 and 2011. The tests, and subsequent Finite Element analyses, showed that under moderate loading the interacting concrete area is smaller than for a similar in-situ cast bridge. No significant long-term effects were observed, except that under eccentric loading the distribution of the deflection between the girders decreased slightly during the 10 years between tests. This indicates that the joint gaps may have narrowed and at least partly closed during this time.Chapter 7 summarises the research and presents recommendations for dealing with general issues related to the design and construction of a bridge of this type. The design methods are generally the same as for a conventional composite bridge with an in-situ cast deck slab. However, the Eurocodes require some modification for the design of prefabricated deck elements with dry joints, particularly regarding global analysis and the resistance of cross-sections. Finally, conclusions, a general discussion and suggestions for further research are presented in Chapter 8.Denna avhandling behandlar ämnet prefabricerade samverkansbroar i allmänhet och prefabricerade betongelementfarbanor med torra fogar i synnerhetPrefabricering är ett ämne som har diskuterats i byggbranschen under de senaste decennierna. Husbyggnadsindustrin har gjort stora framsteg i riktning mot ett mer industriellt tänkande, i vilket prefabricering, Lean och BIM är viktiga pusselbitar. Även i brobranschen har mängder med forskningsprojekt utförts runt om i världen och flertalet olika prefabricering lösningar har testats genom åren. Trots detta så förefaller det så att brobranschen ligger lång efter i utvecklingen mot en mer industrialiserad byggprocess. Den långsamma utvecklingen kan till viss del förklaras av att varje bro ofta är ett unikt objekt med unika förutsättningar. Detta utgör ett hinder mot standardisering vilket ofta är beskrivet som nyckeln till industrialiserat byggande.En litteratur studie kompletterad med en Workshop, för insamling av information och erfarenheter från brokonstruktörer och forskare i Europa och USA, visar att prefabricerade farbaneelement fortfarande är ganska ovanliga på den globala byggmarknaden. Farbaneelement med torra fogar förefaller vara extremt ovanliga, enbart ett fåtal exempel har påträffats i litteraturstudien. Prefabriceringsnivån och utvecklingstakten mot ett mer industriellt byggande varierar mycket från ett land till ett annat. (Paper I och Kapitel 2-3)För samverkansbroar har ett prefabricerat farbanesystem med torra fogar mellan betongelementen utvecklats i Sverige. De tvärgående fogarna är helt torra och all kraft överförs genom kontakttryck mellan olika betongytor. Detta medför att inga dragkrafter alls kan överföras genom fogen. Tvärkrafterna överförs genom överlappande betongklackar som är utformade som en serie av hane-hona kopplingar. Forskningen som presenteras i denna avhandling är fokuserad på konstruktionens strukturella beteende. Detta beteende har undersökts via labbtester såväl som genom fältförsök. (Paper II och Kapitel 3)Storskaliga labbtester visar att en bro av denna typ är mindre styv än en liknande bro med en plastgjuten farbaneplatta. I områden med negativt böjmoment är betongelementens bidrag till styvheten försumbart. I områden med positivt böjmoment bidrar betongelementen till den globala styvheten. Vid måttlig belastning är dock den medverkande betongarean avsevärt mindre än i en motsvarande platsgjuten konstruktion. Detta orsakas förmodligen av de små glipor som finns i fogarna, i kombination med det faktum att de injekterade kanalerna är kontinuerliga över elementskarvarna. Detta medför att de initiala fogöppningarna mer eller mindre blir permanenta då kanalen injekteras, eftersom den injekterade betongen i kanalen måste tryckas samman till en viss gräns innan den resterande delen av fogen stängs. Förstörande provning visar dock att skillnaderna i spänningar och styvhet är avsevärt mindre i brottgränstillståndet. Det är därför rentav rimligt att utföra tvärsnittskontroller, i brottgränstillstånd, i enlighet med de regler som anges i Eurokoderna och därmed försumma de effekter som fogarna ger upphov till. (Paper V och Kapitel 4)De överlappande betongklackarna är en väsentlig detalj i det aktuella prefabriceringssystemet. Dessa klackar har därför testats i ett laboratorium för att för utreda hur de går i brott samt vilken last kapacitet som de har. Testerna resulterade i två olika typer av brott. Den första typen av brott aktiverade skjuvarmeringen, vilket resulterade i ett tämligen duktilt brott. Denna var även det förväntande brottscenariot och tämligen i linje med de dimensionerings metoder som föreslås för denna typ av betongklackar. Den andra typen av brott som observerades var ett tämligen sprött brott i betongens täckskikt. Denna typ av brott har enbart observerats i dessa labbtester och är möjligen relaterad till utformningen av testriggen. Det rekommenderas dock starkt att utforma armeringen i klackarna så att armeringsjärnen i hona-hane överföringen överlappar varandra. Detta för att säkerhetsställa en residualhållfasthet för skjuvöverföringen även efter ett eventuellt brott i betongens täckskikt i klackarna. (Paper III och Kapitel 5)Som ett komplement till labbtesterna har fältförsök utförs på en enspannsbro. Den aktuella bron byggdes år 2000 med den prefabriceringsteknik som denna avhandling behandlar och har instrumenterats såväl år 2001 som 2011. Även dessa tester och de efterföljande FE-analyserna visar att den medverkande betongarean, under måttlig belastning, är klart mindre än den medverkande arean för en platsgjuten betongfarbana. Inga väsentliga långtidseffekter har kunnat observeras. Enbart nedböjningsfördelningen mellan balkarna, vid excentrisk last, har minskat en del efter 10 år. Denna skillnad kan indikera att fog öppningarna var större år 2011, dessa kan åtminstone delvis ha stängts under den tid som förlöpt mellan testen. (Paper IV och Kapitel 6)Huvuddelen av denna avhandling avslutas med ett kapitel som summerar den utförda forskningen genom att presentera råd och förslag på hur det går att hantera generella konstruktions- och produktions-frågor för en bro av denna typ. Dimensioneringsmetoderna är i regel de samma som för en konventionell samverkansbro med platsgjuten farbana. För denna typ av prefabricerade farbaneelement finns det dock vissa områden där dimensioneringsreglerna i Eurokoderna bör modifieras eller rentav ändras. Systemanalys och tvärsnittskontroll är två av de dimensioneringssteg där reglerna i Eurokoderna bör modifieras en del. (Kapitel 7)Godkänd; 2012; 20120817 (robhal); LICENTIATSEMINARIUM Ämnesområde: Stålbyggnad/Steel Structures Examinator: Professor Peter Collin, Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser, Luleå tekniska universitet Diskutant: Professor Ian May, Herriot-Watt University Edinburgh, UK Tid: Måndag den 24 september 2012 kl 14.00 Plats: F1031, Luleå tekniska universitet