Kontinuerlig mätning av lagerkrafter på Höga Kusten-bron

Transkript

1 Kontinuerlig mätning av lagerkrafter på Höga Kusten-bron RAID KAROUMI STEFAN TRILLKOTT CLAES KULLBERG HÅKAN SUNDQUIST TRITA-BKN Teknisk Rapport 6:6 Brobyggnad 6 ISSN Brobyggnad KTH Byggvetenskap KTH, SE Stockholm

2 - i -

3 Kontinuerlig mätning av lagerkrafter på Höga Kusten-bron Uppdragsgivare: Projektledare (mätprojekt): Rapport skriven av: Rapport granskad av: Installation av mätsystem: Staffan Gilliusson och Knut Svedjetun (Vägverket, Region Mitt) Raid Karoumi (KTH) Raid Karoumi (KTH) Håkan Sundquist, Mahir Ülker, Stefan Trillkott och Claes Kullberg (KTH) Stefan Trillkott och Claes Kullberg (KTH) - ii -

4 Copyright Institutionen för Byggvetenskap KTH Stockholm juli 6 - iii -

5 Sammanfattning I samband med en broinspektion har det konstaterats stort slitage på huvudlagren på Höga Kusten-bron. Stora avflagningar av PTFE-skikten har noterats (lagren är glidlager med rostfria plåtar med PTFE-glidskikt). Det har därför börjat spekuleras om lagren belastas med större vertikallaster än vad teoretiskt var tänkt. Eftersom bron är en hängbro påverkas lagerlasten av hur mycket kraft som upptas i de vertikala hängarna. För att erhålla de tänkta lagerlasterna måste därför hängarna vara rätt uppspända. Avdelning för brobyggnad vid KTH har därför fått i uppdrag att kontrollmäta dels den verkliga totala lagerkraften dels kraften i de första hängarna av permanenta laster 1. Mätning och övervakning av lagerkrafter sker kontinuerligt med ett mätsystem installerat av KTH på Hornösidan av bron. Denna rapport innehåller en detaljerad beskrivning av mätsystemet, hur instrumenteringen gick till samt den genomförda kalibreringen av töjningsgivare för lagerkraftmätning. Rapporten presenterar och diskuterar resultaten från mätningen av lagerkrafter under perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj 6. Resultaten visar att de uppmätta lagerkrafterna av permanenta laster överensstämmer väl med de teoretisk beräknade (uppmätta nordvästra lagret = 2.3 MN och nordöstra lagret = 2.1 MN; beräknade utan hänsyn till vind & temperatur = 1.8 MN MN). Under mätperioden registrerades relativt stora lagerkrafter av trafik (maximal extra lagerkraft på cirka 2.5 MN). Den totala lagerkraften, cirka 4.8 MN, är dock fortfarande långt ifrån de dimensionerande enligt bronormen (lastkombination IV:A = 9.7 MN och lastkombination V:A = 7.4 MN). Mätningen visar att dessa stora lagerkrafter kommer från kortvariga dynamiska förlopp då t.ex. en axel hoppar/studsar över ojämnheter på farbanan eller övergångskonstruktioner. Då lagerkrafter avläses 50 gånger varje sekund kan dessa dynamiska tillskott registreras av KTH:s mätsystem. Även om de stora dynamiska tillskotten räknas bort så är det uppenbart att kraftigt överlastade fordon med totalvikter på 80 ton ton trafikerar södergående körfält på bron. Det noteras också att det nordvästra lagret, som belastas mest av den södergående trafiken, har en större lagerkraft än det nordöstra. Orsaken till detta är inte känt men kan bero på att den av KTH uppmätta hängarkraften 1 på den första hängaren på nordöstra sidan (nr 82) är 50 % större än den teoretiskt beräknade, dvs. att hängaren är för mycket uppspänd. En likadan mätning av hängarkrafter på nordvästra hängare föreslås därför för att kartlägga om dessa är mindre uppspända än de nordöstra. Baserat på dessa resultat rekommenderas fortsatt övervakning av lagerkrafter samt eventuellt en komplettering av mätsystemet för att övervaka brobanans longitudinella rörelse över huvudlagren, kraft i en hängare samt övervakning av extremt lastade fordon på södergående körfält med kamera. 1 Mätning av hängarkrafter redovisas i en separat rapport, se (Sundquist et al., 5). - iv -

6 - v -

7 Innehållsförteckning Sammanfattning... iv 1 Introduktion Bakgrund Målsättning Genomförande Instrumentering Kalibrering Datainsamling Resultat Slutsatser vi -

8 - vii -

9 1 Introduktion 1.1 Bakgrund Höga Kusten-bron är en av världens största hängbroar med en spännvidd i huvudspannet om 1210 m och en total längd om 1800 m, se Figur 1 nedan. Figur 1 Höga Kusten-bron. Överbyggnaden som är utformad som en sluten låda helt i stål är kontinuerlig från landfäste till landfäste, se Figur 3. Överbyggnaden har tvärskott utformade som hela avstyvade plåtar placerade var 4:e meter. Slitage har uppstått på huvudlagren på Höga Kusten-bron, stora teflon avflagningar syns tydligt i Figur 10. Det finns en misstanke att lagerkrafterna inte har den storlek som förutsatts. Avdelningen för brobyggnad vid KTH har därför fått i uppdrag att mäta storleken på lagerkrafterna. Som en del av mätprogrammet har krafterna i några av hängarna närmast stöd, hängarna 80, 81 och 82 se Figur 2, mätts med vibrationsmetod och redovisats i (Sundquist et al., 5). För att mäta lagerkrafter har ett mätsystem installerats för kontinuerlig insamling av mätdata. Denna rapport beskriver instrumentering och kalibrering av detta mätsystem samt presenterar resultat från perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj 6. Figur 2 Kraft har mätts i hängarna 80, 81 och 82 närmast stöd på Hornö sidan av Höga Kusten-bron, se (Sundquist et al., 5)

10 Figur 3 Brons farbana är kontinuerligt upphängd från landfäste till landfäste

11 Figur 4 Brons nordvästra lager. 1.2 Målsättning Målsättningen är att kontinuerligt mäta och övervaka de verkliga lagerkrafterna på Hornösidan av Höga Kusten-bron under lång tid samt jämföra dessa med de teoretiska lagerkrafter som legat till grund för dimensioneringen av bron. Målsättningen är också att vid ett tillfälle mäta kraften i de första 3 hängarna på brons norra ände (Hornö) för att kartlägga och förstå den verkliga kraftföredelningen mellan de kortaste hängarna och lagren i Höga Kusten-brons. Resultat från hängarkraftmätning redovisas i en separat rapport, se (Sundquist et al., 5)

12 2 Genomförande 2.1 Instrumentering För denna mätning har ändbalken (brolådans sista tvärskott) på Hornösidan instrumenterats till en så kallad lastcell genom att på östra och västra änden av balken montera 16 st (2 8) svetsbara trådtöjningsgivare, se Figur 5 och Figur 7. Trådtöjningsgivarna som användes var av typ HBM 1-LS31-6/350 som monterades som 2 st fullbryggor (en på östra och en på västra änden av ändbalken) och kopplades in i varsin HBM-MC3 bryggförstärkare, se Figur 7 och Figur 9. Dessa kopplades sedan till en datalogger av typen HBM Spider-8, se Figur 8. F lager 8 st töjningsgivare i fullbrygga Figur 5 Ändbalken sett från sidan (översta bilden) och sett uppifrån (nedersta bilden). Bilden visar läget för de 8 töjningsgivare (2 st på varje avstyvningsplåt) som har svetsats på ändbalkens avstyvningsplåtar över ett lager

13 Figur 6 Norra landfästet (Hornö-sidan). Till höger på bilden syns ändbalken som vilar på 2 st glidlager

14 2 st töjningsgivare skyddade av bla. en aluminiumfolie Figur 7 Ena sidan av ändbalken med 2 st skyddade trådtöjningsgivare monterade på en avstyvningsplåt. Den vita lådan är en HBM-MC3 bryggförstärkare (se även Figur 9). Dataloggern kopplades i sin tur till en mätdator (bärbar PC) där ett HBM-Catman baserat mätprogram körs för insamling av data. Det Catman baserade mätprogrammet har specialutvecklats av KTH till Höga Kusten-bron, se avsnitt 2.3 för mer information. Mätdatorn är ansluten till en fast telefon via ett telefonmodem. För styrning av mätsystemet samt för datahämtning har programmet pcanywhere från Symantec använts

15 Description Full, half and quarter-bridge strain gages; inductive transducers; voltages and currents thermocouples;potentiometers; speed and torque Accuracy 0.1 Housing Max. no. of channels Interfaces Signal processing Digital meas. rate Optimized for use with notebooks 8 / device Printer interface, RS-232 Low pass filter 9,600 values / s / channel parallel Figur 8 Datalogger Spider-8 från HBM. Figur 9 Bryggförstärkare MC3 från HBM

16 2.2 Kalibrering För att kunna kalibrera fullbryggorna var det nödvändigt att lyfta ändbalken med en känd kraft samtidigt som avlästa töjningar noterades. Ändbalken är mycket styv och det bedömdes därför viktigt att lyftet sker jämt, dvs. lyfta lika mycket samtidigt på ändbalkens östra och västra ände. För att kontrollera detta användes 2 st lägesgivare vilka monterades provisoriskt över varje lager, se Figur 10. Lägesgivarna var av typen LVDT WA10 från HBM. Lyftet gjordes den 20 september 5. Vid mättillfället var temperaturen cirka 13 ºC. Till lyftet användes 2 3 st tons domkrafter, se Figur 11, från InterNordisk Spännarmering AB och var försedda med Keller Digital manometrar. För att kontrollera noggrannheten genomfördes totalt fem lyft. Resultaten från dessa redovisas i Tabell 1 och Tabell 2. Version Type of connection plunger half and full bridge Sensitivity [mv/v] +80 Linearity deviation in % ±0.2 to ±0.1 Degree of protection IP67 (IP54) Nominal displacement [mm], , 10, 20, 50, 100,, 500 Nominal temperature range [ C] (+150) Carrier frequency [khz] 4.8 ±1% Figur 10 En LVDT givare från HBM monterad m.h.a. en kraftig magnet över ena lagret. Notera även de stora teflon avflagningar som syns nederst på bilden

17 Figur 11 3 st domkrafter för lyft av ändbalken intill ena lagret. Totalt användes 6 st domkrafter vid kalibrering

18 Vägning av broupplag. Västra lagret Östra lagret söder om i linje med norr om söder om i linje med norr om Manometer Nr Manometer Nr Cylinder Nr Cylinder Nr Area i cm2 266,6 266,6 266,6 Area i cm2 266,6 265,8 266,6 Summa last Summa last Lyft 1 Tryck (bar) Lyft 1 Tryck (bar) Last (kg) Last (kg) Lyft 2 Tryck (bar) ,9 249,8 Lyft 2 Tryck (bar) 265, Last (kg) Last (kg) Lyft 3 Tryck (bar) Lyft 3 Tryck (bar) 301,9 310 Last (kg) Last (kg) Lyft 4 Tryck (bar) ,2 55,5 Lyft 4 Tryck (bar) Last (kg) Last (kg) Lyft 5 Tryck (bar) ,9 144,2 Lyft 5 Tryck (bar) 244, Last (kg) Last (kg) Tabell 1 Fem utförda lagerlyft. En sammanställning över mätvärden från 6 domkrafter

19 Mätvärden från MC3 vid vägning av broupplag. Västra lagret Östra lagret Lyft 1 Lyfthöjd (mm) 3,296 Lyft 1 Lyfthöjd (mm) 1,802 Avlastat lager (ma) 13,9470 Avlastat lager (ma) 13,9980 Lager med egenvikt (ma) 13,4700 Lager med egenvikt (ma) 13,4100 Egenvikt (kg) Egenvikt ma/kg -0, ma/kg -0, Lyft 2 Lyfthöjd (mm) 1,034 Lyft 2 Lyfthöjd (mm) 3,149 Avlastat lager (ma) 13,9432 Avlastat lager (ma) 13,9048 Lager med egenvikt (ma) 12,9636 Lager med egenvikt (ma) 13,0336 Egenvikt Egenvikt ma/kg -0, ma/kg -0, Lyft 3 Lyfthöjd (mm) 2,47 Lyft 3 Lyfthöjd (mm) 2,2 Avlastat lager (ma) 13,9444 Avlastat lager (ma) 13,8844 Lager med egenvikt (ma) 12,9526 Lager med egenvikt (ma) 13,0336 Egenvikt Egenvikt ma/kg -0, ma/kg -0, Lyft 4 Lyfthöjd (mm) 1,838 Lyft 4 Lyfthöjd (mm) 1,894 Avlastat lager (ma) 13,9440 Avlastat lager (ma) 13,8888 Lager med egenvikt (ma) 12,9792 Lager med egenvikt (ma) 13,0348 Egenvikt Egenvikt ma/kg -0, ma/kg -0, Lyft 5 Lyfthöjd (mm) 2,376 Lyft 5 Lyfthöjd (mm) 2,531 Avlastat lager (ma) 13,9468 Avlastat lager (ma) 13,8916 Lager med egenvikt (ma) 12,9654 Lager med egenvikt (ma) 13,0340 Egenvikt Egenvikt ma/kg -0, ma/kg -0, Lyft av västra lagret Lyft av östra lagret Kg Lyft 2 Lyft 3 Lyft 4 Lyft 5 Kg Lyft 2 Lyft 3 Lyft 4 Lyft , ,2 13,4 13,6 13,8 14 ma 0 12, ,2 13,4 13,6 13,8 14 ma Tabell 2 Kalibrering genom lagerlyft, en sammanställning över mätvärden från mätsystemet och domkrafter under fem lyft

20 2.3 Datainsamling Kontinuerliga långtidsmätningar resulterar ofta i enorma datamängder som blir ohanterliga. KTH brobyggnad har därför, för detta projekt, specialutvecklat ett program för insamling, bearbetning och lagring av mätdata. Figur 12 visar programmets användarfönster. Med hjälp av programmet samlas data med en samplingsfrekvens på 50 Hz (dvs. lagerkraften mäts 50 gånger varje sekund) kontinuerligt i 10 minuter och sparas i separata mätfiler. Dessa filer kallas här för rådatafiler och har ett filnamn som anger datum och tid då filen skapades. För varje 10 minuters period beräknas de högsta och lägsta mätvärdena på lagerkrafter och dessa sparas i en så kallad statistikfil. Om extremvärden på lagerkrafter för en 10 minuters period överskrider i förväg bestämda gränsvärden (sk. triggnivåer) sparas rådata för 10 minutersintervallet permanent i en katalog för vidare överföring till KTH. I annat fall lagras rådatafilen endast temporärt i mätdatorn och skrivs över efter ett tag. Data samlas kontinuerligt i 10 minuter Triggnivåer för lagerkraft (i ma) Lagerkraften mäts 50 gånger/sek Figur 12 Bilden visar användarfönstret för det Catman baserade mätprogrammet som har utvecklats av KTH för insamling, bearbetning och lagring av data till Höga Kusten-bron

21 3 Resultat Tabell 3 redovisar de största uppmätta lagerkrafterna av trafik och permanenta laster under perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj 6. Dessa extremvärden syns också i Figur 13 som redovisar 10 minuters statistik data (dvs. en max/min punkt från varje 10 minuters mätperiod). Man kan notera i figuren att det nordvästra lagret, som belastas mest av den södergående trafiken, får de största lasterna. Under de första dagarna var dock dessa körfält avstängda för trafik pga. reparationsarbete (syns tydligt i Figur 13). Som framgår av de blå kurvorna i Figur 13, uppmättes lagerkrafter av enbart permanenta laster kring 2.3 MN för det nordvästra lagret och 2.1 MN för det nordöstra lagret. Detta innebär att trafiken maximalt ger en extra lagerkraft på cirka 2.5 MN på nordvästra lagret. För det nordöstra lagret, som belastas mest av norrgående trafik, är lagerkraften av trafik betydligt mindre. Tidpunkt Lager Summa lagerlaster av trafik och permanenta laster [ton] Sön 23 okt 5 kl 20:57 Nordväst 441 Mån 6 feb 6 kl 03:18 Nordväst 429 Tis 28 feb 6 kl 12:27 Nordväst 482 Ons 1 mars 6 kl 01:39 Nordväst 445 Tis 14 mars 6 kl 08:17 Nordväst 435 Tis 21 mars 6 kl 21:56 Nordväst 429 Ons 22 mars 6 kl 12:38 Nordväst 430 Tis 18 april 6 kl 02:46 Nordväst 429 Fre 21 april 6 kl 06:20 Nordväst 465 Fre 21 april 6 kl 07:20 Nordväst 487 Mån 24 april 6 kl 21:57 Nordväst 432 Tabell 3 Sammanställning över de största uppmätta lagerkrafterna under perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj

22 Figur 14 till Figur 23 visar variation av lagerkrafter för några av de mest intressanta 10 minuters rådatafilerna. Intressanta lastbilspassager i dessa är förstorade i Figur 24. Här syns tydligt att de största lagerkrafterna kommer från kortvariga dynamiska förlopp då t.ex. en axel hoppar/studsar över ojämnheter på farbanan eller övergångskonstruktioner. Då lagerkraften avläses 50 gånger varje sekund kan dessa dynamiska tillskott registreras av KTH:s mätsystem. Även om de stora dynamiska tillskotten räknas bort så är det uppenbart att kraftigt överlastade fordon med totalvikter på ton trafikerar södergående körfält på bron. Figurerna visar att en lastbilspassage har en influenslinje på uppskattningsvis, säg, 18 sekunder. Om det antas att denna lastbil kör i 70 km/h innebär detta att lastbilen belastar huvudlagren tills den har kommit cirka 350 meter bort från huvudlagren in i bron, vilket motsvarar en bit in på huvudspannet. Detta är anmärkningsvärt då i en hängbro av detta slag ska lasten från ett fordon som har kommit en bit in på sidospannet tas endast upp av huvudkablarna

23 500 Min Lager Nordväst Högakustenbron - lagerlaster 10 minuters statistik Max Lager Nordväst Min Lager Nordöst Max Lager Nordöst Oct Nov Dec Jan 6 Feb Mar Apr May Datum Figur minuters statistik under perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj

24 450 Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Lager Nordväst (exklusive egenvikt) Lager Nordöst (exklusive egenvikt) Tid [ min ] Figur minuters rådata från kl 20:

25 Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Lager Nordväst (exklusive egenvikt) Lager Nordöst (exklusive egenvikt) Tid [ min ] Figur minuters rådata från kl 03:

34 Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 03:18 Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordväst (total) Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 12:27 Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordväst (total) Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 01: Tid [ min ] kl 08:17 Figur 24 Några förstorade lastbilspassager

35 Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Lager Nordväst (total) Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 02:46 Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan 500 Lager Nordväst (total) Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 06:20 Högakustenbron - lagerlaster på Hornö sidan Lager Nordväst (total) Lager Nordöst (total) Tid [ min ] kl 07: Tid [ min ] kl 21:57 Figur 24 Forts

36 - 28 -

37 4 Slutsatser För att mäta och övervaka lagerkrafter på Hornösidan av Höga Kusten-bron har KTH brobyggnad installerat ett mätsystem för kontinuerlig insamling av mätdata. Denna rapport beskriver instrumentering och kalibrering av detta mätsystem samt presenterar och diskuterar resultaten från perioden 20 september 5 t.o.m. 18 maj 6. Mätsystemet har fungerat bra utan störningar eller långvariga avbrott. Analys av insamlat mätdata ger följande slutsatser: Den största lagerkraften av trafik och permanenta laster registrerades på nordvästra lagret fredagen den 21 april 6 kl 07:20 och motsvarande cirka 4.8 MN. Detta är långt ifrån den dimensionerande totala lagerkraften som enligt bronormen är: lastkombination IV:A = 9.7 MN och lastkombination V:A = 7.4 MN. Det nordvästra lagret, som belastas mest av den södergående trafiken, har en större lagerkraft än det nordöstra. Orsaken till detta är inte känt men kan bero på att den av KTH tidigare uppmätta hängarkraften på den första hängaren på nordöstra sidan (nr 82) är 50 % större än den teoretiskt beräknade, dvs. att hängaren är för mycket uppspänd, se (Sundquist et al., 5). Trafiken ger maximalt en extra lagerkraft på cirka 2.5 MN på nordvästra lagret. De största lagerkrafterna kommer från kortvariga dynamiska förlopp som KTH:s mätsystem har möjlighet att registrera då lagerkraften avläses kontinuerligt 50 gånger per sekund. Det är allmänt känt att stora dynamiska tillskott av trafik ökar slitaget på vägar och broar och kan leda till utmattningsskador i känsliga konstruktionsdelar såsom anslutning hängare-brolåda. Även om de stora dynamiska tillskotten räknas bort visar resultaten att södergående körfält trafikeras av kraftigt överlastade fordon med totalvikter på ton. Kurvorna för enskilda lastbilspassager visar att influenslinjen för lagerkraften är mycket lång och sträcker sig åtminstone till närmaste pylon. I en hängbro av detta slag ska lasten från ett fordon som har kommit en bit in på sidospannet enbart upptas av huvudkablarna. De uppmätta lagerkrafterna av enbart permanenta laster ligger omkring 2.3 MN för det nordvästra lagret och 2.1 MN för det nordöstra lagret. Detta överensstämmer väl med de teoretisk beräknade som enligt konstruktionshandlingarna ska ligga omkring 1.8 MN MN, utan hänsyn till vind & temperatur. Baserat på dessa resultat rekommenderas fortsatt övervakning av lagerkrafter. Följande kompletteringar föreslås också: Eftersom det råder viss osäkerhet kring kraftfördelningen i Höga Kusten-bron kan det vara anledning att göra kompletterande mätningar av hängarkrafter på de 3 första nordvästra hängarna, där mätningar hittills inte gjorts, för att kartlägga om dessa är mindre uppspända än de nordöstra

38 Komplettera mätsystemet med en sensor för mätning av longitudinella dynamiska förskjutningar över ett lager. De stora vertikala lagerkrafter av trafik som har registrerats kan i kombination med horisontell förskjutning orsaka stort slitage av lagren. Därför borde brobanans longitudinella rörelse registreras dynamiskt (obs! Ej möjligt med det befintlig PLC systemet som sköts av Vägverket då detta inte klarar av att mäta dynamiskt). Komplettera mätsystemet med en kamera som automatiskt tar bilder på södergående trafik över nordvästra lagret om en förutbestämd max lagerlast överskrids. Detta är viktigt för att kunna förstå hur de stora dynamiska lasterna uppkommer och vilka lastbilar som orsakar dessa. Komplettera mätsystemet med en accelerometer installerad på någon lämpligt utvald hängare, t.ex. nr 82, för att kontinuerligt få information om hängarkraften. Detta ger oss en möjlighet att studera hur variation av hängarkraft kan kopplas till variation av lagerkrafter

39 5 Referenser Sundquist H., Karoumi R., Trillkott S. and Kullberg C. (5), Bestämning av hängarkrafter i några av hängarna på Höga Kusten-bron, Teknisk rapport 5:12, ISSN , Brobyggnad, KTH, Stockholm

40 - 32 -