Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Capacity assessment of a single span arch bridge with backfill: A case study of the Glomman Bridge
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering.
2009 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

 

The aim of this Master Thesis is to assess the load carrying capacity of the Glomman Bridge outside of the Swedish city Örebro. The Glomman Bridge is an unreinforced concrete single span arch bridge with backfill. The bridge was constructed in 1923 on assignment from the Swedish National Railways (SJ).

The failure criteria used in this thesis is that the bridge collapses when any cross section in the concrete arch reaches its ultimate capacity. In reality, the bridge may manage heavier loads than this. When the capacity is reached in a cross section, a hinge is formed and the arch relocates the forces to other parts of the arch that can carry higher stresses. The real bridge will not collapse until a fourth hinge is formed, and by that a mechanism. To be able to calculate the cross section forces in the arch, it was necessary to know the influences of the loads on the arch when they were run along the bridge. For this purpose, influence lines were obtained from a 2D finite element model created in ABAQUS, a general FE-analyses software. A calculation routine to find the least favourable load combination was then created in Matlab, a numerical calculation software. The routine was made to find the worst case among different load cases and to combine the standardized axle pressures with the present number of axles.

A parametric survey was also performed because the material properties for the different parts of the bridge are very uncertain. In the survey, the initial values were changed one at a time to study the outcome on the load factor. The load factor is the ratio between the ultimate limit load and the actual load. The studied parameters are the compressive strength, the Young's modulus, the density and the Poisson's ratio of the different parts of the bridge. The parameters are studied individually irrespective of possible correlation. The studied parts of the bridge are the backfill, the arch, the abutments and the asphalt. The clearly most important component is found to be the backfill. With increased stiffness or increased Poisson's ratio in the backfill follows increased load factor.

The equations behind the failure envelope can be derived from equilibrium equations for the unreinforced cross section. The influence lines are normalised with respect to the capacity of the cross section to get the degree of efficiency along the whole length of the arch, instead of the common influence lines that give the cross section forces. This is done because the failure is not caused by large cross section forces but by an exceeded ultimate stress. As the different loads are run along the bridge, the largest positive and negative efficiency for bending moment and normal force are localised. The normalised cross section forces are plotted together with the failure envelope and the load factor is then calculated.

Several masonry arch bridges were loaded until collapse in a study performed by the British Transport and Road Research Laboratory. One of the bridges in the study, the Prestwood Bridge, has been used in this thesis as a comparison to the Glomman Bridge. The load carrying capacity of the Prestwood Bridge is known, and is used to verify that the method using the failure envelope is applicable.

To compare the results from the cross section analysis from the failure envelope model to another method, the Glomman Bridge and the Prestwood Bridge were also tested in the commercial software RING 2.0. The method used in RING 2.0 differs from the failure mode in this thesis by calculating the load factor when four different cross sections reach their capacity and the bridge collapses.

The failure envelope method allows an A/B-value (Axle- and Bogie load) of 102 kN/147 kN when using very poor values of the parameters and 181 kN/226 kN when using a reference case with normal parameters.

Although the load capacity is found to be acceptable, the uncertainties are still large. To get a more accurate apprehension of the condition of the actual bridge, further research should be carried out, such as e.g. a non-linear model.

Abstract [sv]

Syftet med föreliggande examensarbete är att uppskatta bärförmågan hos bron Glomman utanför Örebro. Glomman är en oarmerad betongvalvbro i ett spann med ovanliggande jordfyllning. Bron byggdes 1926 på uppdrag av Statens Järnvägar (SJ).

Brottkriteriet i detta examensarbete är att bron går till brott när något tvärsnitt i betongbågen uppnår sin kapacitet. I själva verket är det möjligt att bron kan klara tyngre last än detta. När kapaciteten nås i ett tvärsnitt uppstår en led och bågen omlagrar krafterna till andra bågdelar som klarar större spänningar. Den verkliga bron rasar inte förrän en fjärde led har utvecklats, och därmed en mekanism. För att kunna beräkna tvärsnittskrafterna i bågen, var det nödvändigt att känna till trafiklasternas påverkan på bågen när de kördes över bron. För detta ändamål erhölls influenslinjer från en tvådimensionell finita elementmodell skapad i ABAQUS, ett generellt FE-program. En beräkningsrutin för att finna värsta tänkbara lastkombinering skapades i Matlab, ett numeriskt beräkningsprogram. Rutinen utformades för att hitta värsta fallet bland olika lastfall samt för att kombinera standardiserade axeltryck med det aktuella antalet axlar.

En parameterstudie utfördes också då materialegenskaperna för de olika delarna i bron är mycket osäkra. I parameterstudien ändrades ingångsvärdena ett åt gången för att studera utslaget på lastfaktorn. Lastfaktorn är förhållandet mellan brottgränslasten och den verkliga lasten. De parametrar som studeras är tryckhållfastheten, E-modulen, densiteten och tvärkontraktionen för de olika brodelarna. Parametrarna studeras enskilt utan hänsyn till eventuell korrelation. De brodelar som studeras är fyllningen, bågen, fundamenten och asfalten. Den klart viktigaste komponenten visar sig vara fyllningen. Med ökad styvhet eller ökad tvärkontraktion i fyllningen följer ökad last­faktor.

Ekvationerna bakom brottenveloppet kan härledas ur jämviktsekvationer för det oarmerade tvärsnittet. Influenslinjerna normeras med avseende på tvärsnittets kapa­citet för att få ut utnyttjandegraden längs hela bågen. Detta görs då det egentligen inte är för stor tvärsnittskraft som orsakar brott utan för stor spänning. Högsta och lägsta utnyttjandegrad för böjande moment och normalkraft lokaliseras när de olika typlasterna körs över bron. Utnyttjandegraderna placeras i brottenveloppet för att sedan räkna fram en lastfaktor.

Ett flertal liknande broar har lastats till brott i en studie genomförd av British Transport and Road Research Laboratory. En av broarna i studien, Prestwood Bridge, har använts i denna rapport som jämförelse med Glomman. Då bärförmågan hos Prestwood Bridge är känd används den till att bekräfta att metoden med brott­enveloppet är tillämpbar.

För att jämföra resultaten från tvärsnittsanalysen i brottenveloppmetoden med en annan metod, testades även Glomman och Prestwood Bridge i det kommersiella programmet RING 2.0. Metoden som används i RING 2.0 skiljer sig från brottmoden i denna rapport genom att istället beräkna lastfaktorn när fyra olika tvärsnitt har uppnått sina kapaciteter och bron kollapsar.

Metoden med brottenvelopp tillåter ett A/B-värde (Axel- och Boggitryck) på 102 kN/147 kN när mycket dåliga parametervärden används och 181 kN/226 kN när referensfallet med normala parametervärden används.

Även om bärförmågan kan anses vara acceptabel är osäkerheterna stora. För att få en nogrannare uppfattning om brons faktiska tillstånd bör fortsatta studier utföras, som t.ex. en icke-linjär modell.

Place, publisher, year, edition, pages
2009. , 101 p.
Series
TRITA-BKN. Master Thesis, ISSN 1103-4297 ; 271
Keyword [en]
Arch bridge, vault, finite element, backfill, failure envelope, masonry, capacity assessment
Keyword [sv]
Bågbro, valv, finita element, fyllning, brottenvelopp, stenvalv, klassningsberäkning
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-10065OAI: oai:DiVA.org:kth-10065DiVA: diva2:202517
Presentation
2009-03-11, Seminarierummet, Brinellvägen 34, Stockholm, 13:00 (Swedish)
Uppsok
teknik
Supervisors
Examiners
Available from: 2009-05-13 Created: 2009-03-10 Last updated: 2010-04-28

Open Access in DiVA

fulltext(1657 kB)12407 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 1657 kBChecksum SHA-512
b11919ac5ff3120812f5f1382de2d51624cd90241e127b838eaa760b6f4fb1178be0d7943354044e4e0a46cd419cc7622a6f59c7544a3f44a88f567be144b98a
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Civil and Architectural Engineering
Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 12407 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 1227 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf