Forsøg på DTU med bjælker fra AKR-skadet brodæk

BROER OG TUNNELER Forsøg på DTU med bjælker fra AKR-skadet brodæk Bro 017, Gammelrand over Skovvejen på rute 23, var så alvorligt angrebet af alkalikiselreaktioner (AKR), at den skulle udskiftes. Det blev i den forbindelse valgt at udnytte broen til at udføre forskydningsbæreevneforsøg med brodrageren umiddelbart inden, broen blev revet ned. Dette forsøg er tidligere beskrevet i artikel i Trafik & Veje marts 2013. Siden da er der som led i et eksamensprojekt udført forskydningsforsøg på DTU med bjælker udsavet af bro 017. I denne artikel præsenteres de vigtigste resultater af forsøgene på DTU. Henrik Mørup, NIRAS hem@niras.dk Christian von Scholten, NIRAS cvs@niras.dk Ricardo Antonio Barbosa, PhD studerende DTU ranba@byg.dtu.dk Baggrund Vejdirektoratet vurderer, at der er omkring 600 vej- og jernbanebroer i Danmark, som har potentiel risiko for at udvikle alkalikiselreaktioner (AKR). Vejdirektoratet ønsker derfor en metode til at kunne afgøre, hvorvidt en AKR-skadet betonbro stadig har en acceptabel styrke til at kunne opfylde dens formål. Hensigten med forsøgene udført i eksamensprojektet var derfor at skabe bedre Lasse Jessen, Diplomingeniør lassesj@hotmail.com Nikolaj Rask, Diplomingeniør Nikolajhrask@gmail.com Iben Maag, Vejdirektoratet IBMA@vd.dk kendskab til forskydningsstyrken for ikke forskydningsarmerede AKR-betonbjælker/ plader, således at det med større sikkerhed kan vurderes, om der er mulighed for at forlænge AKR-skadede broers levetid uden at gå på kompromis med sikkerheden. I 2010 udførte NIRAS et fuldskalaforsøg for Vejdirektoratet på bro 119-0-017, Gammelrand over Skovvejen, [6]. I forbindelse med forsøget blev der udskåret 4 betonbjælker på broens nordlige sidefag. Disse 4 betonbjælker er ikke forskydningsarmerede. 3 af bjælkerne er som led i et bachelor eksamensprojekt hos lektor Kurt Kielsgaard Hansen og professor Linh Cao Hoang nu undersøgt for forskydningsbæreevne på DTU. Tidligere studier udført på DTU, [2, 3, 4], omkring 1990 vurderede, at AKR-ekspansion forårsager en forspænding i længdearmeringen. Den samme hypotese blev fremført og vurderet efter fuldskalaforsøget ved Gammelrand. Derfor er denne hypotese også undersøgt på de udtagne bjælker. Det primære problem ved AKR-skadede broers bæreevne er normalt risikoen for forskydningsbrud og/eller gennemlokningsbrud, da betonens forskydningsstyrke typisk er hårdere udnyttet end bøjningstrykstyrken. De nu udførte forsøg på DTU skal således ses i forlængelse af tidligere forsøg med bjælker fremstillet med alkalireaktivt tilslag omkring 1990 og forsøgene med Gammelrand i 2010. Se figur 1. Bjælkerne har dels været opbevaret i 3 år udendørs hos NIRAS, hvor de delvist har været pakket ind i plast og dels på DTU i 3 mdr., hvor de også har været opbevaret udendørs dog uden plastindpakning. Bjælkerne er ca. 7,65 m lange, 0,7 m høje og 0,6 m brede. Bjælkernes oprindelige placering i broen kan ses på figur 2, som viser en plan af brodækket. Forsøgsopstilling Ved forsøgene blev der valgt en asymmetrisk 3-punktsunderstøtning, se figur 3. En til- TRAFIK & VEJE 2014 FEBRUAR 31

Figur 3. Den valgte forsøgsopstilling på DTU. Figur 2. Plan af oprindeligt brodæk med angivelse af hvor forsøget i 2010 blev udført, og hvor de 4 prøvebjælker blev udtaget. strækkelig forankring af den langsgående armering ved bjælkernes ender var nødvendig for at opnå det ønskede forskydningsbrud frem for et forankringsbrud. En kontrolberegning viste, at forsøgsopstillingen ville have næsten samme sikkerhed mod bøjningsbrud som mod forskydningsbrud. Det valgtes derfor at reducere bjælkernes bredde b w uden at reducere trækarmeringen. Derved opnåedes en mere forskydningskritisk bjælke, idet forskydningsbæreevnen reduceredes, uden at momentbæreevnen blev reduceret nævneværdigt. Der blev derfor skåret 100 mm af begge siderne i bjælkerne, men hovedarmeringen blev bevaret. Figur 4 viser en bjælkeende efter afskæring af siderne. Bjælkerne blev belastet til brud, og der opnåedes typisk en brudfigur som illustreret på figur 5. Betontrykstyrke for AKR-skadede betonbjælker Der er foretaget trykprøvninger af udsavede prøver fra bjælkerne fra Gammelrand. Formålet var at vurdere, om trykstyrken målt i 2010 i forbindelse med fuldskalatesten stadig er repræsentativ for nærværende forsøg. I trykstyrkeforsøgene på DTU blev standarderne for trykprøvning ikke fulgt, og resultaterne er derfor kun orienterende. Der blev foretaget tryktest både vinkel- Figur 1. Forskydningsbruddet ved fuldskala brudforsøget i 2010. 32 TRAFIK & VEJE 2014 FEBRUAR

ret på og parallelt med revnedannelsen på i alt 17 prøver. Prøveemnerne var udformet som prismer med de tilstræbte dimensioner 100x100x200mm. Prøvelegemerne blev trykket på højkant. Figur 6 viser tydeligt, at den største trykstyrke opnås ved trykretning parallelt med revnedannelsen og har middelværdien f c = 19,7 MPa mod f c =12,7 MPa vinkelret på revnedannelsen. Forskellen på trykstyrken i de to retninger udgør således 7 MPa, hvilket giver en forskel på 55% i forhold til trykstyrken målt med revner vinkelret på trykretningen. Forholdet mellem revneorientering og trykstyrken stemmer overens med forsøg på kerner udtaget fra en anden AKR-skadet brokonstruktion foretaget i et tidligere eksamensprojekt på DTU [8]. Trykstyrken af betoncylindre udtaget fra Gammelrand, 2010, gav en middeltrykstyrke på 19,2 MPa, [5]. Disse styrker blev målt på kerner udboret lodret i brodækket. Kernerne havde derfor revner vinkelret på trykretningen. De gamle resultater fra 2010 er således 6,5 MPa højere end den tilsvarende målte middeltrykstyrke fra dette forsøg. DTU, NIRAS og Vejdirektoratet har i den forbindelse igangsat to eksamensprojekter med det formål at undersøge AKR-skadet betons egenskaber. Rapporten fra fuldskalaforsøget på Gammelrand [4] opstiller en hypotese om, at et forspændingsbidrag svarende til en ekspansion på 1 i længderetningen kan forklare en forhøjet forskydningsstyrke. Resultater opnået ved accelererede AKRskader kan dog ikke direkte overføres til eksisterende konstruktioner, da man ikke kan forvente samme revnedannelse i aktuelle konstruktioner som ved accelererede forsøg med laboratoriestøbte bjælker. Noget tyder midlertidigt på, at antagelsen om en vis forspænding i bjælkerne fra Gammelrand er korrekt. Et bevis på forspænding ses på figur 7, hvor der i et forsøg på at afgøre armeringsgraden over længden af bjælke nr. 3 blev foretaget frihugning af armering. I den forbindelse blev der observeret en tilbagetrækning af armeringsjernet ved en overskæring heraf. Hvis denne hypotese holder, tyder det på, at bjælkerne er forspændte, og eftersom konstruktionen ikke oprindeligt er forspændt, vil forspændingen højst sandsynligt være opstået som følge af AKR-ekspansion. Bestemmelse af forspænding i hovedarmeringen Forspændingen blev bestemt vha. strain gauges. Inden strain gaugene kunne monteres, blev armeringen lige omkring målestedet frihugget for beton og armeringsjernets ribber slebet ned. Efter installering af strain gauges blev betonen fjernet omkring armeringsjernet og armeringsjernet skåret over i en passende afstand fra strain gaugen, mens en datalogger opsamlede data. Figur 4. Tværsnit i forsøgsbjælke efter breddereducering. Resultaterne viser, at der er tøjninger i alle de armeringsjern, der blev foretaget målinger på. Der er generelt forskel på de målte tøjninger mellem armeringsdimensionerne Ø20 og Ø25 mm. Når der tages højde for stød i armeringen, er der fremkommet 8 brugbare målinger af forsøget (3 ved Ø25 mm og 5 ved Ø20 mm). For Ø20 mm er der konstateret tøjninger mellem 1,07 og 1,43 med en middelværdi på ε Ø20middel = 1,28, og for Ø25 mm er der konstateret tøjninger på mellem 0,74 og 1,03 med en middelværdi på ε Ø25, middel = 0,89. Omregnet til normalkræfter fås for Ø20 mm og Ø25 mm henholdsvis 84,7 kn og 91,5 kn. Dvs. at der ses en øget tøjning ved mindre armeringsdiametre og en øget forspændingskraft med øgede armeringsdiametre. Eller nok mere sandsynligt må det forven- Forspænding i armering for AKR-skadede betonbjælker AKR forårsager ekspansioner i betonen, som vil resultere i revnedannelse. Ekspansionen i betonen vil være størst i den retning, hvor betonen har den mindste hindring for udvidelse og mindre i retninger, hvor udvidelsen hindres af eksempelvis armering. Dette er årsagen til, at der typisk ses et jævnt fordelt revnemønster i uarmeret, ubelastet beton og retningsorienteret revnedannelse i en-akset armeret beton. For bjælker med kun langsgående armering, som bjælkerne fra Gammelrand, betyder det, at revnerne primært vil følge hovedarmeringsretningen. Forsøg foretaget med accelereret AKRskadede betonbjælker, 1990, [2,3, 4], med beskeden forskydningsarmering viste en ekspansion af betonen på mellem 0,4 og 1,1 i længderetningen og 3,3 og 18,3 i den transversale retning [4]. Ekspansionen i længderetningen er interessant, da denne ekspansion vil resultere i en forspænding af armeringen i længderetningen. Denne forspænding vil have en positiv indvirkning på forskydningsstyrken efter EC2: = C R,c k(100r 1 f ck ) ⅓ + k 1 s cp, hvor forspændingsbidraget udgør: k 1 σ cp Figur 5. Brud i forsøgsbjælke, bemærk den store lighed med brudfiguren på figur 1. TRAFIK & VEJE 2014 FEBRUAR 33

tes, at jo større armeringsarealet er i længderetningen, jo mindre ekspansion kan der forventes i denne retning. Noget tyder altså på, at ekspansionen og dermed tøjningen som følge af AKR er afhængig af et sammenspil mellem den kraft, der lokalt skal overvindes i armeringen for at ekspandere, og AKR ekspansionerne i betonen. Dette forhold vil yderligere blive undersøgt på DTU. Teoretisk forskydningsstyrke Eksamensprojektet havde også til hovedformål at foretage en sammenligning af de målte forskydningsstyrker efter formlen for ikke forskydningsarmeret tværsnit efter EC2. Derudover foretoges der også beregninger efter dels DS 411, som i højere grad end EC2 tager højde for buevirkning, og dels efter revneglidningsteorien efter metoden beskrevet af M.P. Nielsen i Beton 2 Del 7- Ikke forskydningsarmerede bjælker, [5]. Følgende formler er anvendt: EC2: = C R,ck (100r 1 f ck ) ⅓ + 0,15σ cp DS 411: (½ ν ν f cd ; βτ 0 ) Figur 6. Resultater af trykforsøg på udsavede prismer trykket hhv. vinkelret og parallelt med revner. Figur 7. Deformation af oversavet hovedarmeringsjern. τ 0 = 0,079k(1,2 + 40r 1 ) f ck + 0,15σ cp Revneglidningsteorien, Beton 2: = τ u = ½ν s ν 0 f c ((1 + (x/h)2) ½ - x/h) Det bemærkes, at revneglidningsteorien tager hensyn til forspændingsbidraget, idet forspændingen indgår i beregningen af x. Forspændingsbidraget er fastlagt på baggrund af middelværdier for forspændingen observeret i forspændingsforsøgene. De beregnede forskydningsstyrker uden forspændingsbidrag kan findes i tabel 1. Her er anvendt middel betontrykstyrken målt parallelt med revnerne, som er fundet til f cm = 19,7 MPa. Når der er valgt trykstyrken målt parallelt med revnerne, er det fordi, det er den vej spændingerne virker i trykzonen, både hvis der ses på bøjning og buevirkning. Den tilsvarende middelværdi, som broen oprindeligt er designet for, benyttes til sammenligning f cm = 38 MPa svarende til den karakteristiske betontrykstyrke f ck = 30 MPa. Værdien på 38 MPa er estimeret ud fra erfaringstal og understøttes af den optiske styrkebestemmelse foretaget i 2010. De beregnede forskydningsstyrker med forspændingsbidrag kan findes i tabel 2. Betragtes de beregnede teoretiske forskydningsstyrker medregnet forspændingsbidrag, ses det, at den største forskydningsstyrke fås efter revneglidningsteorien [5]. Betragtes derimod forskydningsstyrkerne uden forspændingsbidrag, hvor den målte betontrykstyrke er benyttet, fås den største forskydningsstyrke efter EC2. Ydermere ses, at forskydningsstyrken efter DS 411 er lavere end efter EC2. Målte forskydningsstyrker på forsøgsbjælker Der er udført 5 forskydningsforsøg på 3 bjælker. Brudlastene fra forsøgene er omregnet til forskydningsstyrker. Den gennemsnitlige forskydningsstyrke er beregnet til 0,86 MPa, hvor den laveste værdi er 0,76 MPa, og den største er 0,95 MPa. Til sammenligning blev forskydningsstyrken bestemt til 0,75 MPa i fuldskalaforsøget på Gammelrand. Sammenligning mellem forsøg og teori Forskydningsforsøgene viser, at middelforskydningsstyrken målt i forsøgene er højere end de teoretiske forskydningsstyrker beregnet ud fra aktuelle målte middeltrykstyrker (uden forspænding fra ekspansion) efter EC2, DS 411 og Beton 2. Tilsvarende er middelforskydningsstyrken målt i forsøgene højere end de teoretiske forskydningsstyrker beregnet ud fra 34 TRAFIK & VEJE 2014 FEBRUAR

aktuelle målte middeltrykstyrker og målte middelekspansion (dvs. med forspænding) efter hhv. EC2, DS 411 og Beton 2. Endelig viser forskydningsforsøgene, at den målte middelforskydningsstyrke er højere end de teoretiske forskydningsstyrker beregnet ud fra betonens trykstyrke (estimeret middelværdi), som den oprindelige bro er designet for (uden forspænding) efter EC2, DS 411 og Beton 2. Forskellene er illustreret på figur 8. Konklusioner Forsøgene med AKR skadede bjælker fra Gammelrand bekræfter tidligere resultater fra forsøg med forskydning i betonbjælker påvirket af AKR-skader bl.a. en række laboratorieresultater fra forskydningsforsøg (accelererede AKR-forsøg) på DTU omkring 1990: Forskydningsstyrken af ikke forskydningsarmerede bjælker reduceres tilsyneladende ikke af selv alvorlige AKRskader. En beregning af forskydningsstyrken af de testede forsøgsbjælker på basis af trykstyrken af udskårne prøvelegemer undervurderer i gennemsnit bæreevnen med: Ca. 59% (uden hensyn til forspænding pga. AKR ekspansion) Ca. 10% (inkl. forspænding pga. AKR ekspansion) forskningsprojekter i gang. Formålet er at få bekræftet resultaterne yderligere og for med tiden at have udviklet et relativt enkelt forsøgs- og beregningskoncept, der uden meget store omkostninger kan afgøre, om den enkelte AKR-skadede bro har tilstrækkelig bæreevne på længere sigt. Referencer: [1] Forskydningsstyrke af alkalikiselskadede betonbjælker, Lasse Jessen og Nikolaj Rask, Diplom B afgangsprojekt, DTU januar 2014. [2] Forskydningsstyrken af alkalikiselskadede betonbjælker, Finn Bach, Dansk Beton, nr. 3, 1987. [3] Load carrying capacity of structural members subjected to alkali-silica reactions, Vejdirektoratet, Broafdelingen, 1990. [4] Bæreevnen af alkalikiselskadede konstruktionselementer, Finn Bach, Dansk Beton, nr. 4, 1990. [5] Beton 2 Del 7, Ikke forskydningsarmerede bjælker. M.P. Nielsen, 2005. [6] Fuldskala belastnings- og bæreevneforsøg med AKR skadet 3 fags bro, Skovvejen rute 23, Bro 017, Gammelrand, Overføring, Vejdirektoratet nov. 2011. [7] Har AKR-skadede broer tilstrækkelig styrke?, Henrik Mørup, Christian von Scholten og Vibeke Wegan, Trafik og Veje marts 2013. [8] Alkalikiselskadet betons tilstand og styrkeegenskaber, Christian Gottlieb og Damien Lawrence Hannerz, Kandidatspeciale, DTU august 2013. < Samlet set bekræfter forsøgene den tidligere hypotese om, at reduktionen i forskydningsstyrke, som AKR skaderne giver anledning til på betonens trykstyrke og dermed på forskydningskapaciteten, til en vis grad opvejes af et positivt bidrag fra en forspænding af længdearmeringen som følge af AKR ekspansion i brodækkets længderetning. Forsøgene viser, at forspændingsbidraget udgør omkring 25 til 40% af den samlede teoretiske forskydningsstyrke beregnet ud fra målte trykstyrker og ekspansion. Endelig viser forsøgene en væsentlig forskel på trykstyrken målt parallelt og vinkelret på AKR revnerne. Trykstyrken målt parallelt med revnerne er ca. 50% større end trykstyrken målt vinkelret på revnerne. Hvad kan vi bruge det til? Vejdirektoratet glæder sig over de positive resultater og har allerede i samarbejde med DTU sat yderligere fuldskalaforsøg og Figur 8. Sammenligning af forsøgsresultater, τ E med teoretisk beregnede værdier τ E. Forholdet τ E / τ R med standardafvigelser. Forskydningsstyrke [MPa] Betonstyrke [MPa] EC2 DS 411 Beton 2 19,7 0,80 0,68 0,89 Tabel 1. Forskydningsstyrker uden forspændingsbidrag efter EC2, DS 411 og Beton 2. Betonstyrke Forskydningsstyrke [MPa] Hypotese [MPa] EC2 DS 411 Beton 2 Betontrykstyrke målt ved forsøgene i 2013 19,7 0,61 0,50 0,53 Oprindelig betontrykstyrke (estimeret middelværdi) 38,0 0,76 0,69 0,75 Tabel 2. Forskydningsstyrker med forspændingsbidrag efter EC2, DS 411 og Beton 2. TRAFIK & VEJE 2014 FEBRUAR 35