Fiberarmerad sprutbetong, som samverkar med bergbultar, är en vanlig förstärkningsmetod i de fall där en vidhäftande sprutbetong inte kan anses uppfylla säkerhetskraven. Många av dessa förstärkningar är dock förmodligen kraftigt överdimensionerande p.g.a. bristfällig kunskap om deras beteende vid belastning. Detta beror bland annat på den ofta mycket komplicerade geometrin på förstärkningen, och hur den påverkar dess verkningssätt. Studien analyserar bärförmågan för en bergförankrad tunnelförstärkning både experimentellt och teoretiskt. Mekanismer som påverkar bärförmågan, såsom kupolverkan och den ojämna formen har speciellt studerats. En utförlig undersökning av genomstansningskapaciteten för en fiberarmerad provkropp har också genomförts.
Studien baseras på en uppsprucken bergmassa med relativt små inre spänningar och deformationer, vilket är ett vanligt bergförhållande för ytnära svenska tunnlar. Vidhäftningen mellan berget och betongen antas vara låg och kan därmed försummas. Blocken behandlas dels som mycket styva med en böjstyvhet som kan anses vara oändlig jämfört med sprutbetongen och dels som mycket uppspruckna med en böjstyvhet som kan försummas. Ett styvt block kan antas verka som en fritt upplagd balk eller platta på förstärkningen, vilket resulterar i höga skjuvspänningar och låga böjspänningar i betongen. En mycket uppsprucken bergmassa kan förenklat betraktas som en jämnt fördelad last. Ett antal idealiserade fördelningar av bergmassan har studerats och de mest sannolika brottlinjefigurerna i förstärkningen har analyserats.
Tidigare försök publicerade av författaren till denna avhandling [24] visade att brottlinjeteori baserad på moment/rotationssamband i en böjspricka inte är lämplig för bestämning av bärförmågan hos fiberarmerade betongplattor om dessa är förhindrade att röra sig i horisontalled längs upplagen. De beräknade kapaciteterna var genomgående mycket lägre än den verkliga bärförmågan. Detta kunde förklaras med att det horisontella mothållet vid upplagen påverkade beteendet markant. Beräkningar baserade på teori för kupolverkan visade däremot på god överensstämmelse med provresultaten.
En jämförelse mellan traditionell brottlinjeteori respektive teori vid kupolverkan antyder att kupoleffekten har en avsevärd positiv inverkan på bärförmågan, speciellt för kortare bultavstånd. Effekten minskar med ökad slankhet på förstärkningen. Krypning och krympning reducerar bärförmågan p.g.a. att dessa effekter gör att nedböjningen ökar med tiden vilket i sin tur reducerar hävarmen mellan tryckresultanterna för det mothållande momentet. Trots att stora delar av en förstärkning förmodligen bär lasten från berget i form av kupolverkan är det inte möjligt att utan vidare basera en dimensionering på denna effekt p.g.a. att den försvinner helt redan för en liten konvex ojämnhet mellan bultarna.
Genomstansningsproven på cirkulära symmetriskt belastade plattor symboliserade en fullskalemodell av sprutbetong kring en bergbult. Provkropparna tillverkades genom sprutning i Södra Länken som är ett stort vägtunnel-projekt i Stockholm. En 15 mm tjock stålring omslöt ett flertal plattor för att inkludera effekten av kupolverkan. Den omslutande stålringen simulerade till en viss grad det horisontella mothåll som omkringliggande delar i en verklig förstärkning torde utöva på en lokal brottzon. Alla plattor som provades utan stålringen och som därmed kunde rotera fritt längs upplaget erhöll ett böjbrott utan några tecken på stansning. Plattorna som provades med en omslutande stålring uppvisade en betydligt högre bärförmåga och ett ändrat brottbeteende som i många fall kan kategoriseras som ren stansning. En ökning av fiberhalten från 30 kg/m3 till 60 kg/m3 resulterade inte i någon märkbar inverkan på vare sig bärförmågan eller segheten för plattor som provades med en omslutande stålring. Vidare uppstod inga synliga skjuvsprickor på undersidan (dragna sidan) av plattorna vid maxlast som vid ett traditionellt stansbrott.
En jämförelse mellan befintliga beräknings/dimensioneringsmetoder för genomstansning och provresultaten visar att dessa metoder inte kan anses gälla för en bergförankrad sprutbetong. Finita element simuleringar bekräftade det faktum att brottförloppet inte är detsamma utan snarare det omvända mot det traditionella stansbrottet. Skjuvsprickor utvecklas inne i tvärsnittet nära lasten (brickan) och propagerar snett nedåt i plattan. Graden av horisontellt mothåll har stor inverkan på momentkapaciteten med avseende på kupolverkan och analyserna indikerar att detta även gäller genomstansningskapaciteten.
Effekten av den ojämna formen på bärförmåga och styvhet studerades med icke-linjär finita element analys. Simuleringen begränsades till en jämn fördelning av sinusvågor med olika amplituder. För en platta med upplagen fast inspända och en bult placerad i mitten visade resultaten att styvheten påverkades mer av ojämnheten än bärförmågan. Tjockleken på förstärkningen i förhållande till ojämnheten bestämde dess inverkan på verkningssättet. Ett tunnare lager av betong påverkas mer än ett tjockare för en given ojämnhet. Den maximala bärförmågan för en ojämn platta uppnåddes vid en betydligt mindre nedböjning jämfört med en plan. Om bultarna placerades genomgående i förstärkningens toppar respektive svackor erhölls helt olika beteenden. Bärförmågan blev betydligt högre om bultarna placerades i topparna. Detta kan förklaras av att plattan då verkade som tryckta kupoler mellan bultarna. Om bultarna i stället placerades i svackorna erhölls dragbrott i betongen runt bultarna vilket begränsade bärförmågan.
Bärverkan hos bergförankrad fiberarmerad sprutbetong
Författare:
Ulf Nilsson
Rapportkategori:
SveBeFo-rapport
Rapportnummer:
64
Utgivningsår:
2003