Varige konstruksjoner Konstruktive konsekvenser av alkalireaksjoner Fagdag 31 mai 2016 Hans Stemland SINTEF Hans Stemland, SINTEF Eva Rodum, SVV Håvard Johansen, SVV 1
Alkalireaksjoner Skademekanisme for betongkonstruksjoner Alkalireaktive bergarter i tilslaget reagerer med alkalier i sementpastaen, der hvor fuktnivået er høyt nok. Under reaksjonen dannes en alkaligel, som er vannsugende og sveller ved vannopptak. Svellingen av gelen fører til ekspansjon og opprissing av betongen Foto: Statens vegvesen 2
Alkalireaksjoner Indre struktur Ekspansjon i hele volumet. Leeching og periodevis uttørking kan gi mindre reaksjon i overflaten. Gir riss i overflaten, videre vannopptak i rissene fører til store sprekker. 04.06.2016
Effekt av trykkspenning på ekspansjonen 4
Rissutvikling forts. Trykk 5
Mekaniske egenskaper Tabell hentet fra «Institution of Structural Engineers», 1992: Nedre grenseverdier i % i forhold til upåvirket betong ved 28 døgns alder. EKSPANSJON EGENSKAP 0,5 (mm/m) 1,0 (mm/m) 2,5 (mm/m) 5,0 (mm/m) 10,0 (mm/m) Trykkfasthet terning 100 85 80 75 70 Strekkfasthet 85 75 55 40 - E-modul 100 70 50 35 30 6
Strekkfasthet Strekk Spaltestrekk Bøyestrekk 7
Lastvirkning fra moment 8
Ekspansjon av prisme med sentrisk armering 9
Ekspansjonsmodeller Modell 1: Jevn eller lineær ekspansjon over tverrsnittet Betongen ekspanderer først fritt Armeringen trekkes ut til samme forlengelse og settes så på det armerte tverrsnittet som en trykk-kraft 10
Lastvirkning fra ekspansjon av bjelke med armering i u.k. a) a) b) c) d) Resulterende tøyning (c+a) 11
Ekspansjonsmodeller forts. Modell 2: Mer ekspansjon i en del av tverrsnittet, f.eks plata i en T-bjelke (vertikal virkning) Betongen i delen med mer ekspansjon holdes først fast og settes så på det armerte tverrsnittet som en strekkkraft 12
Lastvirkning fra ekspansjon i plata Kraftvirkning: Innspenningsmoment: M i M i Lastinnføring: 13
Ekspansjonsmodeller forts. Modell 3: Forskjell i ekspansjon i bredderetningen Egentlig Modell 1 eller 2 anvendt i bredderetningen Spesialtilfelle hvis forhindret fra rotasjon Blir da ren aksialbevegelse (strekk/trykk) 14
Stivhetsforutsetninger i beregningene Regner i Stadium I og Stadium II (for rent moment): Aktivt tverrsnitt: 15
Eksempel: Elgeseter bru Bygd 1949-51. Betongbjelkebru, med totalt 9 spenn. Lengde 200 meter, med 8 søylerader. Bruplata har fire bjelker i lengderetning (firedobbel T). 04.06.2016
Elgeseter Bru Skadesituasjon Alkalireaksjoner dokumentert på 1990-tallet. Forskyvning av brudekket, opp til 200 mm (1 ), mot byen. Søyler rettet opp ved de to siste søyleradene i 2003. Foto: Eva Rodum 04.06.2016
Litt forenklet tverrsnitt av brua Armeringsmengde og egenvektmoment i forskjellige snitt: Snitt Armeringsmengde, mm 2 Moment fra egenvekt Overkant (ok) Underkant (uk) (uten lastfaktor), knm Midt i felt 5 200 16 000 1 858 Ved 0-momentpunkt 11 710 3 620 0 Over støtter 28 640 12 064-4300 18
Tøyningsforutsetninger fra ekspansjonen Plate Bjelke Jevn/lineær eksp. (Modell 1) Mer eksp. i plata (Modell 2) Modell 1 + 2 19
Midtsnitt: Tøyningsendring fra ekspansjon ε A1 = 0,5 o/oo G = egenlastmoment J = Jevn (konstant) ekspansjon over tverrsnittet 20
Midtsnitt: Tøyningsendring fra ekspansjon ε A1 = ε A2 = 0,5 o/oo G = egenlastmoment J = Jevn (konstant) ekspansjon over tverrsnittet P = ekspansjon kun i Plata 21
Midtsnittet forts. Antatt lineær ekspansjon ε A-topp = 1,0 o/oo, ε A-bunn = 0,5 o/oo G = egenlastmoment L = Lineær ekspansjon over tverrsnittet 22
Midtsnitt forts. - Forlengelse av plata ε A1 = ε A2 = 0,5 o/oo, M i = 1500 knm G = egenlastmoment J = Jevn (konstant) ekspansjon over tverrsnittet P = ekspansjon kun i Plata I = innspenningsmoment 23
Midtsnitt forts. - Lastvirkning fra ekspansjonen ε A1 = ε A2 = 0,5 o/oo, M g = 1858 knm, M i = 1500 knm Egenvektmoment: Fiktiv tilstand: Resulterende tilstand: 24
0-moment punktet - Tøyningsendring fra ekspansjonen ε A1 = ε A2 = 0,5 o/oo J = Jevn (konstant) ekspansjon over tverrsnittet P = ekspansjon kun i Plata 25
0-moment punktet forts. - Tøyningsendring fra ekspansjonen ε A1 = ε A2 = 0,5 o/oo, M i = 1500 knm J = Jevn (konstant) ekspansjon over tverrsnittet P = ekspansjon kun i Plata I = innspenningsmoment 26
Flytning i armeringen forklarer de store sprekkene ved 0-moment punktene Δ M i Armeringen flyter? Ledd M i w = 2-6 mm 27
Støtte Tøyningsendring fra ekspansjonen ε A-topp = 1,0 o/oo, ε A-bunn = 0,25 o/oo G = egenlastmoment L = Lineær ekspansjon over tverrsnittet 28
Støtte Tøyningsendring fra ekspansjonen ε A-topp = 1,0 o/oo, ε A-bunn = 0,25 o/oo, M i = 1500 knm G = egenlastmoment L = Lineær ekspansjon over tverrsnittet I = Innspenningsmoment 29
Modell 3 Ren aksialbevegelse Kreftene føres primært inn i hvert endefelt Den delen som ekspanderer mest får trykk Den andre delen får strekk Strekk-kraften må betraktes som en ytre kraft på strekkdelen av tverrsnittet Forskjell i aksialstivhet og resulterende ekspansjon langs bjelken gjør at det også føres krefter inn og ut i hvert spenn 30
Modell 3 Kraftinnføring i hver ende av brua Ytterbjelkene er forutsatt å ekspandere mest Endefelt Gir strekk i innerbjelkene 31
Skjærdeformasjon: Aksialkraftendring inne på brua 32
Konklusjoner Det er utarbeidet en veiledning for beregning av effekten av alkalireaksjoner Primært bruplater Kan anvendes ganske generelt Hver bru må vurderes spesielt Skadebildet må kartlegges i detalj Ekspansjonen må forsøkes kvantifisert Viktig å forstå tilstanden til brua før det evt. settes inn tiltak Teknologi for et bedre samfunn 33