Bärförmågan hos en förstärkt betongbro

I framtiden ställs trafiksektorn inför allt större krav när man vill öka trafikmängder, hastigheter och axeltryck. Detta kan bland annat uppnås genom att öka trafikledernas kapacitet och livslängd.

En del av denna ambition består av att öka lastkapaciteten på järnvägsbroar så att man kan tillåta tyngre godståg att passera. Arto Puurula har i sin nyligen publicerade avhandling utvecklat en ny beräkningsmetod med vilken man kan bedöma bärförmågan hos betongbroar med betydligt större noggrannhet än förut.

Arto Puurula bor i Rovaniemi och arbetar som överlärare i konstruktionsteknik på Savonia yrkeshögskola i Kuopio i Finland. Han har avlagt teknologie doktorsexamen vid Luleå tekniska universitet LTU 30/5 2012. Namnet på doktorsavhandlingen är ”Bärförmågan hos en förstärkt betongbro - Icke-linjär finit elementmodellering av en brottbelastning - Tillståndsbedömning av en järnvägstrågbro med två spann i Örnsköldsvik förstärkt med stänger av kolfiberarmerade polymerer (CFRP)”

Under forskningsarbetet utvecklades beräkningsmodeller för förstärkta betongbroar med hjälp av datorprogram som kan beräkna broars sannolika beteende vid ökad belastning. Dagens effektiva datorer möjliggör användningen av mer detaljerade beräknings- och modelleringsmetoder än tidigare.

När Övik järnvägsbro i Örnsköldsvik i Sverige tagits ur bruk erbjöds Luleå tekniska universitet år 2006 ett unikt tillfälle att studera betongbrons bärförmåga innan den skulle rivas. Fullskaleförsök utförs sällan beroende på de höga kostnaderna och omfattningen av det praktiska arbetet.

Avhandlingen är en del av det omfattande projektet Sustainable Bridges som finansierades av den europeiska kommissionen, EC, i vilket 32 universitet, forskningsinstitut och företag från 12 olika länder deltog. Professor Lennart Elfgren från Luleås tekniska universitet var vetenskaplig ledare för projektet.

Innan provbelastning placerades en stålbalk i mitten av brons ena spann. Brottet frambringades genom att stålbalken drogs neråt med kablar, som hade förankrats i berget under bron, så att lasten på bron ökade. När brons beteende fram till brott analyserades så undersöktes och bedömdes de modeller för beräkning av bärförmåga som används i olika normer. Icke-linjära finita element har använts för att utvärdera hur avancerade beräkningsverktyg kan beskriva det verkliga skeendet. Olinjäriteter har beaktats i såväl material som geometri, betongen spricker och stålarmeringen flyter med ökande belastning.

Den beräkningsmetod som utvecklats i avhandlingen användes för att bestämma brons bärförmåga med avseende på tåglaster. Öviksbron dimensionerades på 1950-talet för den tidens tåglaster. Resultatet var att Öviksbron hade en avsevärd bärförmågereserv som skulle ha kunnat utnyttjas för t.ex. malmtransporter.

Med en förfinad och kalibrerad modell för bron får man en detaljerad bild av brons förskjutningar, töjningar och spänningar under olika skeden av belastningen. Metoden möjliggör en betydligt bättre överensstämmelse mellan hållfasthetsberäkningar och konstruktionens verkliga beteende än vad nuvarande beräkningsmetoder gör. Detta leder till en noggrannare bestämning av bärförmågan och en ökad säkerhet för konstruktionen.

Med metoden kan man uppnå betydande ekonomiska besparingar. Om resultatet av beräkningarna är att bron kan bära ökade trafiklaster, så har man uppdagat brons gömda bärförmåga och förstärkning behövs inte. Om resultatet av beräkningarna är att bron måste förstärkas, förutsäger den utvecklade metoden förstärkningens effekt med stor noggrannhet. Bron förstärks därefter bara så mycket som behövs och överdimensionering kan undvikas. Naturresurser sparas och miljökonsekvenser minimeras. Ett fullt utnyttjande av den utvecklade metoden möjliggör en ökning av trafikledernas kapacitet och mångfaldig ekonomisk nytta.

Puurulas vidareutbildning och forskning har fått ekonomiskt och annat stöd av framför allt Luleås tekniska universitet. Forskarutbildningen i Sverige är väl organiserad. Till forskarstudierna hör kurser på doktorandnivå. Dessa erbjuds av Sveriges Bygguniversitet, som är en forsknings- och utbildningssammanslutning bestående av de tekniska högskolorna och universiteten i Stockholm, Göteborg, Lund och Luleå. Genom kurserna kommer forskarstuderanden i kontakt med övriga forskare och forskningsmiljöer. Läs mer här. Länk till annan webbplats, öppnas i nytt fönster.

Forskare

Arto Puurula