Bridge Overhang Slabs with Edge Beams : LCCA and Structural Analysis for the Development of New Concepts

• Bridge edge beams are associated with high life-cycle costs because of the need of maintenance, which also causes traffic disturbances. For this reason, the Swedish Transport Administration started a project to find better solutions. One of the proposals was a design without edge beam. However, the edge beam contributesto the load distribution and its removal would imply a loss of robustness, especially in bridges with overhang slabs. The efficiency of this effect depends onthe width of the overhang slab. Moreover, the width of the slab in itself, even inthe absence of an edge beam, may influence the load capacity of the structure. These aspects are paramount for the performance of tests that study the shear capacity of overhang slabs and assess design methods.The aim of this thesis is to contribute to the development of functional edge beam solutions in terms of cost and investigate the structural behavior of bridge overhang slabs with edge beams. A life-cycle cost analysis was the method to evaluate and identify edge beam alternatives that could qualify for further studies, including the use of stainless steel. Non-linear FE-analyses validated from experimental tests were used to investigate the influence of this member and the width of the overhang slab on the structural behavior under concentrated loads. Recommendations for minimal widths that ensure full load capacity of experimental specimens and an assessment of the existing calculation methods with special emphasis on the effective width were also studied.The outcome led to the implementation of new edge beam solutions. The results showed that the influence of the edge beam is not only quantitative due to its load-carrying function but also qualitative as it may affect the failure mode. The load capacity increased with the width until a threshold was reached. The mechanisms behind were the increase of shear capacity and the distribution of the forces sideways, with an eventual redistribution. Recommendations for minimal widths that ensure full capacity were presented for its consideration in the design of experimental tests, with or without edge beams. Effective widths are practical for a preliminary design but may lead to unreliable estimates. Modified approaches given the control section and the presence of an edge beam were proposed.

• Skadade kantbalkar kan orsaka höga drift- och underhållskostnader som resulterar i trafikstörningar. Trafikverket startade ett projekt med målet att hitta kantbalkslösningar som kan anses samhällsoptimala. Ett förslag var en lösning utan kantbalk. Dock bidrar kantbalken till att fördela koncentrerade laster och avlägsnandet av en sådan kan leda till reducerad robusthet, särskilt för broar med konsolplattor. Storleken på denna påverkan kan bero på konsolplattans bredd. Bredden påverkar dessutom lastkapaciteten hos konstruktionen. Dessa aspekter är viktiga för utförandet av experimentella försök i syfte att studera tvärkraftskapacitet hos brobaneplattor.Syftet med denna avhandling är dels att utveckla de kantbalksutformningar som kan bli bättre för samhället i form av lägre kostnader och som kan uppfylla de funktionella och strukturella kraven, dels att undersöka det strukturella beteendet hos konsolplattor med kantbalkar. En livscykelkostnadsanalys genomfördes för att identifiera förslag som skulle kunna kvalificera sig för mer detaljerade studier, inklusive användning av rostfritt stål. Inverkan av kantbalken och konsolplattans bredd på det strukturella beteendet undersöktes genom icke-linjära finita elementmodeller som validerades mot laboratorieförsök från litteraturen. Rekommendationer på minimala bredder som säkerställer full lastkapacitet samt en bedömning av de nuvarande beräkningsmetoderna studerades också.Resultaten ledde till implementering av nya kantbalksutformningar. Kantbalkens funktion är inte bara kvantitativt på grund av att det utgör ett lastbärande element utan också kvalitativt eftersom den påverkar typen av brott. En ökad lastkapacitet med bredden dokumenterades tills en viss gräns uppnåddes. Denna effekt var kopplad till en ökad tvärkapacitet och spridning av tvärkrafter med en slutlig omfördelning av krafterna. Rekommendationer för minimala bredder för utformning av experimentella tester presenteras, även med hänsyn till en brobaneplatta med en kantbalk. Fördelningsbredder är praktiska för en preliminär dimensionering men kan leda till opålitliga resultat. Avhandlingen presenterar också modifierade formler för kontrollsektioner som även beaktar kantbalken.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Infrastrukturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Infrastructure Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Overhang slab

Edge beam

Life-cycle Cost Analysis

Non-linear FE-analysis

Design methods

Shear force

Failure mode

Effective width

Minimal width.

Konsolplattor

Kantbalkar

Livscykelkostnadsanalys

Icke-linjär FE-analys

Dimensioneringsmetoder

Tvärkrafter

Brott

Fördelningsbredd

Minimal bredd.

Bro- och stålbyggnad

Structural Engineering and Bridges

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)