Gamla Årstabron. Sammanställning av töjningsmätningar utförda

Transkript

1 Gamla Årstabron Sammanställning av töjningsmätningar utförda Brobyggnad KTH Brinellvägen 34, SE-1 44 Stockholm Tel: , Fax:

2 Andreas Andersson 9 Royal Institute of Technology (KTH) Department of Civil and Architectural Engineering Division of Structural Design and Bridges Stockholm, Sweden, 9

3 Sammanfattning Stockholm, oktober 9 Andreas Andersson i

4

5 Innehåll Sammanfattning i 1 Instrumentering Omfattning och syfte Givarplacering och datainsamling Resultat 5.1 Signalkvalitet Pendeltåg X Fjärrtåg X, östra spåret Regionaltåg X Uppdatering av FE-modell Slutsatser 17 A Mätningar A.1 Mätschema iii

6

7 1.1. OMFATTNING OCH SYFTE 1 Instrumentering 1.1 Omfattning och syfte I föreliggande rapport redovisas resultat från töjningsmätningar på gamla Årstabrons båge. Mätningarna utfördes den 4 september 9, ca 3 månader efter färdigställda förstärkningar. Mätningarna omfattar tilläggsspänningar av trafiklaster i syfte att verifiera brons verkningssätt efter förstärkning. Mätningarna jämförs med förväntade resultat från de beräkningsmodeller som ligger till grund för förstärkningens utformning. Tidigare mätningar har utförts på samma valv, dels för oförstärkt bro, dels under olika förstärkningsetapper. Under olika etapper har mätningar utförts i både ursprunglig konstruktion och förstärkta delar. I föreliggande är samtliga givare placerade i förstärkta områden. Jämförelse görs även med tidigare mätning på förstärkt bro, utförda 3 juni Givarplacering och datainsamling Instrumenteringen på båge omfattar totalt 16 trådtöjningsgivare. Samma givare används som vi tidigare mätning 3 juni. I Figur Figur 1.3 visas instrumenteringsritningar. För mer information om instrumenteringen hänvisas till KTH mätrapport

8 1. INSTRUMENTERING Figur 1.1: Placering av givare på båge, elevation och plan undersida båge.

9 1.. GIVARPLACERING OCH DATAINSAMLING Figur 1.: Placering av givare på båge, elevation detalj av givare på den västra bågstrimlan. Figur 1.3: Placering av givare på båge, elevation detalj av givare på den östra bågstrimlan. Mätningarna utfördes med en A/D omvandlare av typ HBM MGCPlus med 4 bit upplösning. Data samlades in kontinuerligt från kl. 9: 11:5 med en samplingsfrekvens på 4 Hz. För att reducera brusnivåer användes ett analogt Bessel lågpassfilter med filtergränsen Hz. 3

10

11 .1. SIGNALKVALITET Resultat.1 Signalkvalitet Mätningarna utförs under vanlig trafik där tilläggsspänningar i armeringen beräknas från töjningsgivare. Motsvarande spänningsnivå är ca. 1 MPa. För att utföra relevanta analyser av insamlad mätdata är god signalkvalitet av stor vikt. Förväntad respons domineras av det som kan beräknas från en statisk analys. En analys av bakgrundsbruset visar i Figur.1 att detta kan antas vara normalfördelat. Tidigare analyser av frekvensinnehållet under tågpassager har visat på låga energinivåer över 4 Hz vid aktuella hastigheter och tågkonfigurationer. Samtliga signaler filtreras därför i efterhand med ett digitalt 8:e ordningens Butterworth lågpass-filter med filtergränsen 5 Hz. Syftet är att minimera brusinnehållet samtidigt som brons respons från trafiklast bibehålls. Mätprotokoll på registrerade tågpassager återfinns i Bilaga A. antal datapunkter ofiltrerad LP-filter 5 Hz Figur.1: Mätning D19, histogram av bakgrundsbrus från givare 1, 5 Hz digitalt Butterworth LP filter. I Figur. visas standardavvikelsen i bakgrundsbruset från mätning D19. Analysen baseras på ca. 6 min bakgrundsbrus, motsvarande 14 mätpunkter per kanal. Standardavvikelsen efter filtrering är ca..4 microstrain (με), motsvarande ca..8 MPa. Detta är i samma storleksordning som tidigare mätningar...15 ofiltrerad LP-filter 5 Hz Std ( ).1.5 Figur.: Givare nr. Mätning D19, standardavvikelse av bakgrundsbrus, med och utan 5 Hz digitalt Butterworth LP filter. 5

12 . RESULTAT I Figur.3 visas en översikt av samtliga mätningar mellan kl. 9: 11:5. Enskilda "spikar" i signalerna är tågpassager. Givare 4, 14 och 15 på brons östra kant uppvisar större avvikelser än övriga givare. Även från tidigare mätningar uppvisade givare 14 och 15 större avvikelser än övriga givare. En möjlig orsak till detta kan vara att dessa givare var utsatta för direkt solljus under mätperioden. Dess inverkan under enskilda tågöverfarter bedöms dock vara försumbar p 4 - p p tid (min) tid (min) Figur.3: a) b) Variation i givarna under mätperioden, a) givare 1-8, b) givare Spikar i signalerna är tågpassager. Signalerna är decimerade till 5 Hz. 6

13 .. PENDELTÅG X6. Pendeltåg X6 Under mätperioden registrerades totalt passager med pendeltåg X6, samtliga passerade på västra spåret. I Figur.4 visas responsen i givare 16, placerad i hjässan på den västra bågstrimlan, under en passage av ett X6 pendeltåg. Resultaten visar att filtreringen inte ändrar responsens toppvärde märkbart. 6 4 ofiltrerad filtrerad tid (s) Figur.4: Pendeltåg X6 på västra spåret, givare 16 från mätning D19, jämförelse mellan filtrerad och ofiltrerad signal. I Figur.5 visas statistik på max- och mintöjning från samtliga givare, redovisat som medelvärde från samtliga passager och resulterande standardavvikelse. Jämförelse görs dels mot motsvarande mätningar 3 juni, dels mot FEM-analyser. För FEM-analyserna redovisas staplar med 5% personlast och spridningsmått -1% personlast. Resultaten visar att spridningen i uppmätt respons är mindre än största uppskattade variation i personlast. Båda mättillfällena utfördes mellan ca. kl. 9-1 under vardag och trolig personlast förväntas vara liten. En jämförelse mellan mätningarna 3 juni och 4 september visar en markant ökning i respons. Ökning i töjningsvidd är för givare 5 ca. 5%, för givare 8 ca. 3% och för givare 16 ca. 15%. En möjlig orsak till ökningen tros vara E-modulutvecklingen i injekteringsbetongen. Mätningar på den västra bågstrimlan gjordes redan den 6 mars 8, vars E-modulutveckling bör ha avstannat. Pågjutningarna på undersidan däremot utfördes kort innan mätningarna den 3 juni, varvid en differens mot mätningarna den 4 september är möjlig. För att verifiera detta krävs dock underlag från materialprovningar samt fortsatta analyser. Effekten bedöms dock vara positiv, eftersom förstärkningen medverkar i större utsträckningen och därvid avlastar ursprunglig konstruktion. 7

14 . RESULTAT 6 4 mätningar 993 mätningar 964 FEM givare nr. Figur.5: Pendeltåg X6 på västra spåret, jämförelse mellan mätningar och beräkningar. Skillnad i töjningsvidd mellan mätningarna 3 juni och 4 september illustreras i Figur.6. Det bör noteras att vissa givare vars procentuella skillnad är stor ger liten töjningsvidd, t.ex. från motsatt spår. -3% +% +% +4% +16% +5% +7% +19% +17% +39% +4% +1% +4% +9% -3% +16% Figur.6: Översikt av procentuell förändring i töjningsvidd mellan 3 juni och 4 september vid passage av pendeltåg X6 på västra spåret. I Figur.7 - Figur.9 redovisas jämförelser i respons för givare 5, 8 och 16 avseende passage av ett X6 pendeltåg på västra spåret. Tidsskalan mellan mätningarna är något anpassad för få kurvorna i fas, farten är ca. 75 km/h i båda fallen. FE-beräkningarna baseras på en statisk influenslinjeanalys av 3 spann och inkluderar ej någon dynamisk förstoringsfaktor. Personlasten i vagnarna antas vara 5%. För mer detaljerad beskrivning av FE-modellen hänvisas till KTH mätrapport

15 .. PENDELTÅG X FEM Figur.7: tid (s) Respons från givare 5 vid överfart av pendeltåg X6 på västra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell FEM 1-1 Figur.8: tid (s) Respons från givare 8 vid överfart av pendeltåg X6 på västra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell FEM Figur.9: tid (s) Respons från givare 16 vid överfart av pendeltåg X6 på västra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell. 9

16 . RESULTAT.3 Fjärrtåg X, östra spåret Under mätperioden den 4 september registrerades totalt 4 passager med fjärrtåg X, samtliga på östra spåret. I Figur.1 visas responsen i den östra bågstrimlan (givare 15) vid passage av ett X-tåg med 6 vagnar ofiltrerad filtrerad tid (s) Figur.1: Respons från givare 15 i hjässan på den östra bågstrimlan, passage av ett fjärrtåg av typ X med 6 vagnar på östra spåret, från mätning D11. I Figur.11 redovisas en sammanställning av största töjningsvidder från X-passager. Jämförelse görs dels med tidigare mätningar 3 juni samt FEM-analyser. Under mätningarna den 3 juni registrerades 5 passager med X tåg, dock används bara tre av dessa i analysen eftersom de övriga endast hade två vagnar. Resultaten följer samma mönster som X6-tågen på västra spåret. Från mätningarna 3 juni uppmäts en ökning i töjningsvidd på ca. 5% i givare 7, 3% i givare 1 och 5% i givare 15. Även övriga givare visar på påtaglig ökning. Skillnad i töjningsvidd mellan mätningarna 3 juni och 4 september illustreras i Figur mätningar 993 mätningar 964 FEM givare nr. Figur.11: Fjärrtåg X på östra spåret, jämförelse mellan mätningar och beräkningar. 1

17 .3. FJÄRRTÅG X, ÖSTRA SPÅRET +6% +6% -7% +4% +7% +8% -4% +15% +13% +36% % -6% +18% +3% +9% Figur.1: Översikt av procentuell förändring i töjningsvidd mellan 3 juni och 4 september vid passage av fjärrtåg X på östra spåret. I Figur.13 - Figur.15 nedan redovisas respons för givare 7, 1 och 15 avseende passage av ett fjärrtåg X på östra spåret. Samma förutsättningar som motsvarande jämförelse för X6- tåg. 1 +5% FEM tid (s) Figur.13: 5 Respons från givare 7 vid överfart av fjärrtåg X på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell FEM tid (s) Figur.14: Respons från givare 1 vid överfart av fjärrtåg X på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell. 11

18 . RESULTAT FEM tid (s) Figur.15: Respons från givare 15 vid överfart av fjärrtåg X på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell. 1

19 .4. REGIONALTÅG X4.4 Regionaltåg X4 Under mätperioden den 4 september registrerades endast 3 st regionaltåg av typ X4, varav två passager (data8 och data) bestod av 3 vagnar och en passage (data13) bestod av två sammankopplade set med 3+ vagnar. Under mätperioden den 3 juni registrerades endast två överfarter med regionaltåg X4, den ena (data1) med + vagnar och den andra (data15) med 3+ vagnar. Tåglasten är ca. ton/axel. Samtliga överfarter skedde på den östra spåret. I Figur.15 visas ett foto på ett X4 tågset. Figur.16: Regionaltåg X4. I Figur.17 visas en sammanställning av maximala töjningar för X4-tågen, på samma sätt som motsvarande diagram för X6 och X tågen. Ett spridningsmått anges, vilket på sin höjd ger en indikation eftersom underlaget är för lite och dessutom baseras på tågkonfigurationer med olika antal vagnar. Likt tidigare studerade tågtyper visar resultaten på en generell ökning i töjningsvidd, främst för givare i fas 3, ny pågjutning undersida båge mätningar 993 mätningar 964 FEM givare nr. Figur.17: Regionaltåg X4 på östra spåret, jämförelse mellan mätningar och beräkningar. 13

20 . RESULTAT Största relevanta avvikelse mellan mätningarna återfinns för givare 7 (+%), givare 1 (+5%) och givare 15 (+5%). I Figur.18 visas en översikt av procentuella skillnader för samtliga givare. -1% +5% -3% +6% +18% +6% +4% +6% +7% +11% -9% -13% +4% +5% -1% +9% Figur.18: Översikt av procentuell förändring i töjningsvidd mellan 3 juni och 4 september vid passage av regionaltåg X4 på östra spåret. I Figur.19 - Figur.1 nedan redovisas respons för givare 7, 1 och 15 avseende passage av ett regionaltåg X på östra spåret. Samma förutsättningar som motsvarande jämförelse för X6-tåg och X-tåg FEM tid (s) Figur.19: Respons från givare 7 vid överfart av regionaltåg X4 på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell. 14

21 .4. REGIONALTÅG X FEM tid (s) Figur.: Respons från givare 1 vid överfart av regionaltåg X4 på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell FEM tid (s) Figur.1: Respons från givare 15 vid överfart av regionaltåg X4 på östra spåret, jämförelse mellan mätningar 4 september, 3 juni och FE-modell. 15

22 . RESULTAT.5 Uppdatering av FE-modell Ovan redovisade avvikelser mellan mätningarna utförda i juni och september har föranlett en uppdatering av befintliga FE-modeller. Det primära syftet är att prova hypotesen att E- modulutvecklingen i betongen i fas 3 är det största orsaken till identifierade avvikelser. 16

23 .5. UPPDATERING AV FE-MODELL 3 Slutsatser 17

24

25 A.1. MÄTSCHEMA A Mätningar A.1 Mätschema Tabell A.1: Mätschema, registrering av tågpassager. datum: etapp: allmänt: båge, 3 månader efter slutlig förstärkning. Mätningar utförda med MGCPlus, 4 Hz med Hz Bessel LP filter. Rådata från *.bin-filer måste divideras med bryggfaktorn 1.3 för att motsvara töjningar. Tid: datafil (*.bin) tågtyp: antal vagnar: spår (ö/v): notering: 9:17 D1 X 6 ö antal vagnar osäkert 9: D X6 v 9:3 D3 X6 v 9:3 D4 X6 v 9:38 D5 X6 v 9:47 D6 X6 v 9:54 D7 X6 v 9:55 D8 X4 3 ö foto 4.jpg 1: D9 X6 v 1:1 D1 X6 v 1:14 D11 X 6 ö filmklipp 5.avi 1:17 D1 X6 v filmklipp 6.avi 1: D13 X4 3+ ö filmklipp 7.avi 1:3 D14 X6 v 1:5 D15 X 7 ö filmklipp 8.avi 1:9 D16 fjärr 5 ö filmklipp 9.avi, Rc6+5 vagnar 1:31 D17 gods 16 v filmklipp 3.avi, 1 RC-lok 1:3 D18 X6 v 1:38 D19 X6 v 1:43 D X4 3 ö filmklipp 31.avi 1:47 D1 X6 v 1:51 D gods 1 v filmklipp 3.avi, Rc4-lok 1:53 D3 X6 v 11:3 D4 X6 v 11:8 D5 X6 v 11:18 D6 X6 v 11:19 D7 Regina 1 v gröna tåget, filmklipp 33.avi 11:3 D8 X6 v 11:5 D9 X 6 ö filmklipp 34.avi 11:7 D3 *Rc4 - v filmklipp 35.avi 11:31 D31 X6 v 11:34 D3 gods 15 v 36.avi, 1 Rc-lok, 8 tomv. i slutet 11:38 D33 X6 v 11:46 D34 X6 v 11:53 D35 X6 v 19