Modelling Time-Dependent Effects for Segmentally Constructed Prestressed Concrete Bridges

Abstract (Swedish)

Tidsberoende effekter, såsom krypning, krympning och stålrelaxation, är ofta svåra att prediktera när det kommer till förspända betongkonstruktioner. Krypning som ett fenomen är komplicerat och förenklas därför i gällande byggnormer (Eurocode), för att underlätta konstruktörens arbete. När det gäller etappvis spännarmerade betongbroar har dessa förenklingar visat sig ge felaktiga prognoser av de tidsberoende effekterna. Syftet med denna uppsats är att modellera dessa effekter i ett kommersiellt Finita Element program och därmed skapa en pålitlig rutin för framtida arbete inom området.

En djupgående undersökning gjordes kring olika krypmodeller och hur de kan implementeras. De tillgängliga metoderna i det valda programmet utvärderades med ett enkelt lastfall. En fallstudie av Jiang Jin Bridge, en etappvis spännarmerad betongbro i Chongqing, Kina, genomfördes sedan. Genom att implementera krypmodellen och analysera den valda bron över en tidsperiod på 10 år kunde modellens tillförlitlighet ökas.

Tre krypmodeller, tidshärdande, töjningshärdande och en viskoelastisk modell, jämfördes med hur krypning beaktas i den nuvarande byggnormen (Eurocode). Den viskoelastiska modellen valdes som den mest lämpliga, den gav de mest exakta resultaten samtidigt som den var lättare att implementera. Genom att analysera Jiang Jin Bridge med denna modell visades det att den kunde användas för större och mer komplexa konstruktioner.

Resultatet av fallstudien stärker tillförlitligheten hos den viskoelastiska krypmodellen. Modellering av bron med skalelement gav en mer exakt beskrivning av nedböjningshistoriken jämfört med när balkelement användes. Beteendet kan dock inte förklaras fullständigt med hjälp av krypmodellen och andra tidsberoende effekter såsom förluster i spännkablar behöver undersökas vidare. En förenklad kalibrering visade att nedböjningshistoriken kunde beskrivas mer exakt genom att ändra de tidsberoende förlusterna för de förspända spännkablarna.

Abstract

Long-term effects, such as creep, shrinkage, and steel relaxation, are often difficult to predict for prestressed concrete structures. Creep as a phenomenon is complicated to describe and is therefore simplified in the current building standards, to better accommodate the designer. When dealing with segmentally constructed prestressed concrete bridges, these simplifications have shown to provide inaccurate predictions of the long-term effects. The aim of this Master's Thesis is to model these effects in a commercial Finite Element Analysis (FEA) program and to establish a reliable routine for future work in the area.

A thorough investigation of previous work were conducted regarding creep models and how they are implemented. The available methods in the program of choice were evaluated using a simple load case. A case study of the Jiang Jin Bridge, a prestressed concrete box girder bridge in Chongqing, China, was then performed. By implementing the chosen creep model in a long-term analysis for the case study the reliability of the model was increased.

Three creep models, time hardening, strain hardening, and a viscoelastic model, was compared to the current building code (Eurocode). The viscoelastic model was chosen to be the most appropriate, as it provided the most accurate results while also being easier to implement. By analysing the Jiang Jin Bridge with this model, it was shown that it could be used for larger and more complex structures.

The result of the case study strengthens the reliability of the viscoelastic creep model. Modelling the bridge with shell elements provided a more accurate description of the deflection history, compared to when beam elements were used. The behaviour cannot, however, be fully explained by using the creep model, and other time-dependant losses such as steel relaxation needs to be investigated further. A simplified calibration showed that the deflection history could be more accurately described by modifying the time-dependent losses for the post-tensioning tendons.

Popular Abstract (Swedish)

Tidsberoende effekter såsom krypning är svåra att prediktera, och vanligtvis används förenklade metoder vid dimensionering av betongkonstruktioner. Förenklade metoder har dock visat sig vara otillräckliga vid projektering av etappvis spännarmerade betongbroar. Examensarbetet undersöker olika modeller för krypning och hur dessa kan implementeras i numerisk analys. De olika modellerna jämförs och utvärderas inledningsvis i ett mycket renodlat exempel. Vidare används Jiang Jin Bridge som en fallstudie för att utvärdera en viskoelastisk krypmodell. Analysen visar att det är fullt möjligt att modellera långtidseffekter för etappvis efterspända betongbroar. En jämförelse mellan uppmätta och uppskattade deformationer visade dock på viss avvikelse. En kalibrering av tidsberoende förluster i spännarmeringen (stålrelaxation) kunde justera för denna avvikelse.

• author: Elfving, Niclas and Sunesson, Joel
• supervisor: Jonas Niklewski
• organization: Division of Structural Engineering; Department of Building and Environmental Technology
• alternative title: Modellering av tidsberoende effekter för etappvis utbyggda spännarmerade betongbroar
• course: VBKM01 20211
• year: 2021
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Concrete, Creep, Segmentally constructed, Prestressing, Post-tensioning, Viscoelastic, Eurocode, Finite Element, Shell elements, Beam elements, Time-dependant, Steel relaxation.
• publication/series: 0349-4969
• report number: TVBK-5285
• other publication id: LUTVDG/TVBK-21/5285
• language: English
• additional info: Examiner: Oskar Larsson Ivanov
• id: 9046902
• date added to LUP: 2021-06-02 14:54:15
• date last changed: 2021-06-03 16:19:16