Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Capacity assessment of arch bridges with backfill: Case of the old Årsta railway bridge
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Structural Design and Bridges.ORCID iD: 0000-0002-8926-2140
2011 (English)Doctoral thesis, monograph (Other academic)
Abstract [en]

The work presented in this thesis comprises the assessment of existing arch bridges with overlying backfill. The main objective is to estimate the load carrying capacity in ultimate limit state analysis. A case study of the old Årsta railway bridge is presented, serving as both the initiation and a direct application of the present research. The demand from the bridge owner is to extend the service life of the bridge by 50 years and increase the allowable axle load from 22.5 to 25 metric tonnes. The performed analyses show a great scatter in estimated load carrying capacity, depending on a large number of parameters. One of the factors of main impact is the backfill material, which may result a significant increase in load carrying capacity due to the interaction with the arch barrel. Based on theoretical analyses, extensive conditional assessments and the demand from the bridge owner, it was decided that the bridge needed to be strengthened.

The author, in close collaboration with both the bridge owner and the persons performing the conditional assessment, performed the development of a suitable strengthening. The analyses showed a pronounced three-dimensional behaviour, calling for a design using non-linear finite element methods. Due to demands on full operability during strengthening, a scheme was developed to attenuate any decrease in load carrying capacity. The strengthening was accepted by the bridge owner and is currently under construction. It is planned to be finalised in 2012.

The application of field measurements to determine the structural manner of action under serviceability loads are presented and have shown to be successful. Measured strain of the arch barrel due to passing train has been performed, both before, during and after strengthening. The results serve as input for model calibration and verification of the developed strengthening methods.

The interaction of the backfill was not readily verified on the studied bridge and the strengthening was based on the assumption that both the backfill and the spandrel walls contributed as dead weight only. The finite element models are benchmarked using available experimental results in the literature, comprising masonry arch bridges with backfill loaded until failure. Good agreement is generally found if accounting for full interaction with the backfill. Similarly, accounting for the backfill as dead weight only, often results in a decrease in load carrying capacity by a factor 2 to 3. Still, several factors show a high impact on the estimated load carrying capacity, of which many are difficult to accurately assess. This suggests a conservative approach, although partial interaction of the backfill may still increase the load carrying capacity significantly.

Abstract [sv]

Arbetet i föreliggande avhandling omfattar analyser av befintliga bågbroar med ovanliggande fyllning. Huvudsyftet är att uppskatta bärförmågan i brottgränstillstånd. En fallstudie av gamla Årstabron redovisas, vilken utgör både initieringen och en direkt tillämpning av föreliggande forskning. Kravet från broförvaltaren är att öka brons livslängd med 50 år, samtidigt som axellasten ska ökas från nuvarande 22.5 ton till 25 ton. Utförda analyser visar på stor spridning i uppskattad bärförmåga, beroende på ett stort antal parametrar. En av de främsta faktorerna är fyllningens egenskaper, vilken kan resultera i en markant ökning av bärförmågan p.g.a. samverkan med bågen. Baserat på teoretiska analyser, tillståndsbedömningar och krav från broförvaltaren beslutades att bron skulle förstärkas.

En förstärkningsmetod har utvecklats i nära samarbete med broförvaltaren och personer som tidigare utfört tillståndsbedömningarna. Analyserna visar ett utpräglat tredimensionellt beteende, vilket har föranlett användandet av icke-linjära finita elementmetoder. Krav på full trafik under samtliga förstärkningsarbeten har resulterat i att dessa utförs enligt en föreskriven ordning, som ska reducera minskning i bär­förmåga under samtliga etapper. Förstärkningsförslaget godkändes av Banverket och är för närvarande under byggnation. Enligt plan ska dessa slutföras under 2012.

Fältmätningar har använts för att bestämma det statiska verkningssättet under brukslaster, vilket visas ge goda resultat. Resulterande töjningar från passerande tåg har uppmäts i bågen, både före, under och efter förstärkning. Resultaten har använts både för att kalibrera beräkningsmodeller och att verifiera utförda förstärkningar.

Samverkan mellan båge och fyllning har inte kunnat verifierats för den aktuella bron och de utvecklade förstärkningarna baseras på en modell där både fyllning och sidomurar endast utgör yttre verkande last. De framtagna finita element modellerna har jämförts med experimentella resultat från litteraturen, omfattande tegelvalvsbroar med ovan­liggande fyllning belastade till brott. Generellt erhålls god överensstämmelse om full samverkan mellan båge och fyllning antas. Om fyllningen istället endast betraktas som yttre last, minskar lastkapaciteten ofta med en faktor 2 till 3. Fortfarande uppvisar ett antal faktorer stor inverkan på bärförmågan, vilka ofta är svåra att med säkerhet bestämma. Ett konservativt betraktningssätt rekommenderas, även om delvis sam­verkan med fyllningen fortfarande kan öka bärförmågan avsevärt.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology , 2011. , x, 249 p.
Series
Trita-BKN. Bulletin, ISSN 1103-4270 ; 107
Keyword [en]
Concrete arch bridge, soil backfill, spandrel walls, field measurements, finite element method, load distribution, ultimate limit state.
Keyword [sv]
Betongbågbro, jordfyllning, sidomur, fältmätningar, finita element metoder, lastspridning, brottgränstillstånd.
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-32827OAI: oai:DiVA.org:kth-32827DiVA: diva2:412127
Public defence
2011-05-20, D2, Lindstedtsvägen 5, KTH, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20110426Available from: 2011-04-26 Created: 2011-04-20 Last updated: 2011-04-26Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(17532 kB)2971 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 17532 kBChecksum SHA-512
889149a36e9d22dcfdf200f897753ab45e7ad30263356b3db5e927be86c4adc489675abba6d62e327a0098169858ca8c4e745f737a0717f2004a0d98296eaf68
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Andersson, Andreas
By organisation
Structural Design and Bridges
Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 2971 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

Total: 831 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link