På Stålbyggnadsdagen delades stipendiet för bästa examensarbete 2024 ut till Ola Bergstedt och Holger Berggren från Luleå tekniska universitet. Handledare har varit Victor Vestman. Luleå tekniska universitet. Examinator: Peter Collin. Stipendiet finansieras av Structorstiftelsen.
Det här är en artikel av Ola och Holger om sitt examensarbete.
Bakgrund
Idag utsätts broarna för större laster samtidigt som trafikintensiteten ökar. De befintliga broarna är dimensionerande utifrån gamla förutsättningar och regelverk, därav underdimensionerade. För att hantera dessa nya förutsättningar finns två alternativ, antingen byta ut befintliga broar eller förstärka dessa.
För samverkansbroar kan en möjlig förstärkningsmetod vara efterinstallation av skjuvförbindare. Dessa förbättrar avsevärt bärförmågan genom en ökad grad av samverkan mellan stål- och betongytorna.
Författarna har fokuserat på skjuvförbindare som kallas Coiled Spring Pin, en plåt rullad till en spole, se figur 1. Fördelen med CSPs är att installationen kan ske från undersidan av bron, med minskade störningar på trafiken. De installeras med en hydraulisk domkraft i ett förborrat hål och hålls på plats med radial fjäderkraft.
Syfte
Examensarbetet genomfördes i syfte att stödja Trafikverkets forskningsprojekt som har som mål att fastställa tillförlitliga riktlinjer för dimensionering av partiell samverkan i befintliga broar. Ändamålet med rapporten var att undersöka och identifiera hur samverkansbalkar beter sig och vilka egenskaper de har, både med och utan skjuvförbindare.
Metod
För att uppfylla syftet med denna studie modellerades och simulerades balkar i FE-programmet Abaqus. Dessa modeller baserades på data från tidigare praktiskt utförda tester vid Luleå tekniska universitet. Testerna genomfördes på samverkansbalkar förstärkta med Coiled Spring Pins, och låg till grund för arbetets analyser och simuleringar. Simuleringarna jämfördes sedan mot de praktiska laboratorietesterna tillsammans med handberäkningar för att säkerställa deras noggrannhet och tillförlitlighet.
Försökuppställning
Tester utfördes på två balkar, där skillnaden mellan balkarna var placeringen av skjuvförbindarna. På den ena balken satt förbindarna jämnt fördelade i par, och på den andra med ett sicksackmönster, se figur 2. Inledningsvis belastades de utan förbindare och nådde lastnivåer strax under stålets sträckgräns.
Därefter installerade CSPs för att förstärka balkarna, och två ytterligare tester genomfördes. Först upprepades de tidigare belastningsnivåerna och sedan belastades balkarna vidare förbi sträckgränstillståndet upp till 870 kN.
Testuppställningen bestod av en fritt upplagd balk som utsattes för trepunktsböjning, se figur 3. Mätningar gjordes i punkterna A, B, QA, QB samt MB, se figur 3. För att analysera böjstyvheten placerades två trådmätare vid MB för att mäta den vertikala förskjutningen.
Abaqus modell
En FEM modell skapades i programvaran Abaqus med intentionen att simulera den genomförda laborationen. Syftet med modellen var att med så hög precision som möjligt efterlikna det verkliga beteendet hos Coiled Spring Pins. Samverkansbalkarna modellerades med samma geometrier, material och armeringsmängder som de utförda testerna, se figur 4 och Figur 5. En rad parametrar saknade praktiska tester, vilket resulterande i en komplexitet av parameterindata. Faktorerna friktion, dilatationsvinkel och viskositetsparameter valdes att studeras särskilt, då dess antagna värden förväntades ha stor påverkan på resultaten. Skjuvförbindarna representerades av fjäderkopplingar med samma styvheter som de uppvisade materialtesterna för CSP.
Resultat
Både FEM-simuleringarna och laboratorietesterna visade upp en högre bärförmåga efter tillämpning av Coiled Spring Pins. De fösta applicerade förbindarna i simuleringen gav den tydligaste effekten på samverkansgraden, se figur 6. För varje ny förbindare minskade spänningsreduktionen, samtidigt som tvärsnittets neutralaxel närmade sig betongplattan.
Inga slutsatser kunde fastställas för hur vida placeringen av skjuvförbindarna påverkade samverkansgraden. Simuleringarna visade tendenser på att det är fördelaktigt att placera skjuvförbindarna jämnt och mer centralt, dessa tendenser verifierades dock inte i laborationstesten.
De identifierade kritiska faktorerna som friktionskoefficient, viskositetsparameter och dilatationsvinkel uppvisade en liten påverkan på de simulerade balkarnas kapacitet. För att uppnå en modell med väldigt hög noggrannhet är dock dessa faktorer av betydelse, men desto svårare att bestämma.
För nedböjningen av icke samverkansbalkar så efterliknade resultaten av simuleringarna de observerade under laborationstestet. För partiell samverkan uppvisade de simulerade modellerna högre kapacitet jämfört med laborationens motsvarigheter, se tabell 1 för resultat.
Tabel 1. Resulterande spänningar för 350kN
| Utan Coiled Spring Pins | ||
| Metod | Balk 1 [MPa] | Balk 2 [MPa] |
| Handberäkningar | 241 | 242 |
| FE-simuleringar | 231 | 231 |
| Laboratorietester | 248 | 233 |
| Med Coiled Spring Pins | ||
| Handberäkningar | – | – |
| FE-simuleringar | 168 | 156 |
| Laboratorietester | 205 | 207 |
Möjliga felkällor och fullständiga resultat går att läsa mer om på: redovisas i rapporten.
Bästa examensarbete inom stålbyggnad till Ola Bergstedt och Holger Berggren
Prismotivering
Examensarbetet behandlar höjd kapacitet för befintliga stål- och betongbroar. Uppnått genom att förhindra glidning mellan betongplatta och stålbalkar med hjälp av radiellt fjädrande tvärkraftsförbindare i underifrån borrade hål. Detta utförande har i examensarbetet studerats närmare genom att koppla fysiska försök till simulering med finita elementprogrammet Abaqus. Genom att kalibrera modellens parametrar mot försöksdata har större kunskap erhållits för konstruktionstypens beteende och för hur framtida FE-modeller bör utföras.
Examensarbetet är välskrivet och behandlar ett område med stark potential för klimatmässig och ekonomisk nytta, och där det finns stor möjlighet till användning av resultaten. Arbetet är därför välförtjänt av priset som bästa examensarbete inom Stålbyggnad 2024.
Läs hela arbetet här
