Utmattning av stålbroar och progressiv kollaps : Hur lokala utmattningsskador påverkar den totala säkerheten

Sammanfattning: Denna studie undersöker omfattningen av utmattningsskador i stålbroar samt orsakerna till dessa. Genom en fallstudie på en järnvägsbro över Bryngeån i närheten av Örnsköldsvik studerades även vilken inverkan ett lokalt utmattningsbrott har på den totala säkerheten av bron. Studien inkluderar också en numerisk undersökning av möjligheten att upptäcka lokala brott genom att övervaka töjningar. Genom en litteraturstudie och analys av tidigare upptäckta utmattningsskador belyser denna rapport den varierande naturen hos utmattningsskador och dess påverkan på den strukturella integriteten. Resultatet visar att utmattning är den ledande orsaken till skador i stålbroar och att utmattningsskador kommer bli en än mer kritisk faktor i framtiden då brobeståndet blir allt äldre. Resultaten påvisar även specifika sårbara detaljer där utmattningsskador tenderar att inledas och spridas. Att förstå dessa faktorer är avgörande för att kunna konstruera mer hållbara och resurseffektiva broar med längre livslängd och lägre underhållskostnader. På bron över Bryngeån identifierades de två mest utmattningskritiska detaljerna som tvärförbanden med avkortade flänsar och anslutningen mellan vertikal avstyvning och underfläns. Genom finita elementmodellering undersöktes det hur den totala säkerheten av bron påverkas av utmattningsskador av varierande storlek. Studien visar att den totala säkerheten av bron inte påverkas vid utmattningskador på tvärförbanden, oavsett storlek. Den totala säkerheten påverkas inte heller nämnvärt av de allra minsta sprickstorlekarna som studerades i anslutningen mellan vertikal avstyvning och underfläns. Resultatet visar dock att skillnaden i sprickstorlek mellan en spricka som inte har någon påverkan alls på säkerheten till en sprickstorlek då stålet börjar uppvisa permanenta deformationer är liten. När sprickstorleken närmar sig halva flänsbredden eller mer kan bron inte längre klassas som säker. Genom att använda redan uppmätta data samt data från finita element modellen undersöktes det huruvida lokala utmattningsskador kan upptäckas genom att lokalt övervaka spänningar. Spänningsvariationerna från en tågpassage kontrollerades i FE-modellen. Mätdata från bromodellen utan skada jämfördes sedan med mätdata för olika skadestorlekar lokaliserade i svetsanslutningen mellan avstyvningsplåt och underfläns. Mahalanobis avstånd användes som ett statistiskt mått för att identifiera avvikande värden och bedöma skadedetekteringens effektivitet. Resultaten visade att samtliga sprickor kunde identifieras från alla mätpositioner på huvudbalkarna. Ytterligare arbete krävs dock för att hantera miljö- och driftvariationer. Genom att kombinera sensorteknik och visuella inspektioner kan upptäcktsprocessen för skador på stålbroar effektiviseras och säkerställas.