Pohjois-Ruotsissa sijaitseva Kalixin kotelopalkkisilta purettiin keväällä 2022, koska se ei täyttänyt enää kestävyyteen liittyviä vaatimuksia. Lisäksi raskaammille kuljetuksille ja suuremmille kuormituksille on tarvetta tulevaisuudessa. Projektiin liittyen tutkin opinnäytetyönä ylempään ammattikorkeakoulututkintoon liittyen sillan mittausmenetelmiä ja mahdollisuuksia käyttää FEM- Design- ohjelmaa kyseisen rakenteen mallintamiseen. Luulajan yliopiston tutkimusryhmältä, joka tutki sillan toimintaa prosessin aikana, saatiin tietoja sillan tutkimuksista.

Kalixin kotelopalkkisilta

Kalixin kotelopalkkisilta rakennettiin vuonna 1957. Sillan rakenne on vaiheittain tasapainotetulla ulokemenetelmällä rakennettu jälkijännitetty kotelopalkkirakenne. Ulokemenetelmässä silta valetaan välituen molemmilta puolilta ulokkeena lyhyissä valujaksoissa ja jänteinä käytetään jälkijännitettyjä tartunnallisia punosjänteitä. Suojaputket injektoidaan jännittämisen jälkeen.
Sillan alusrakenteena on neljä välitukea ja kaksi maatukea. Päällysrakenteen ja alusrakenteen välillä on rullalaakerit. Keskellä siltaa on nivel, jossa on heilurilaakeri.

Kuormituskokeet

Kuormituskokeilla pyritään osoittamaan sillan kantavuus omalle painolle ja lisäksi määritellyille hyötykuormille. Siltojen kuormituskokeita tehdään diagnostisena testauksena, murtorajatilatestauksena ja hyväksyntätesteinä ennen siltojen käyttöönottoa.
Kalixin sillalle tehtiin murtorajatilatestauksia staattisella ja dynaamisella menetelmällä, koska silta oli suunniteltu purettavaksi. Käytännön toteutus kuormituskokeissa oli lastatut rekat eri kuormituksilla ja eri sijainneilla. Rekkojen sijoituksella pyrittiin etsimään kriittisten poikkileikkausten leikkaus-, taivutus- ja vääntöjännityksiä. Staattisissa kokeissa rekat pysyivät paikoillaan ja dynaamisissa niitä ajettiin eri nopeuksilla ja eri kuormituksilla.

Mittausmenetelmät

Kuormituskokeiden aikana siltaa monitoroitiin erilaisilla mittausmenetelmillä. Pääasialliset arvioitavat muuttujat olivat jännitykset, kaltevuudet, lämpötila ja kiihtyvyys. Mittauksia suoritettiin taipumamittareilla, kiihtyvyysantureilla, kuituoptisilla sensoreilla, aksiaalisen jännityksen mittareilla, kaltevuusmittareilla ja lämpösähköpareilla. Myös kimmovasaraa, betonin suojaetäisyyden mittausta, jännepunosten tutkaamista, ultrasoonisen leikkausaallon tomografiaa ja halkeamasyvyyksien arviointia käytettiin.

Yhtenä tavoitteena oli arvioida jäljellä oleva jännevoima punoksissa. Tämä edellytti rakenteen rikkomista ja mittareiden asentamista jännepunoksiin. Myös venymiä monitoroitiin kuituoptisilla antureilla. Dynaamisen kokeen aikana siltaa monitoroitiin kiihtyvyysmittareilla
Käytetyillä mittausmenetelmillä on paljon muitakin sovelluksia, kuten esimerkiksi lääketieteessä ja avaruusteollisuudessa. Tekniikan kehittyessä kuituoptisia sensoreita voitaneen käyttää myös jatkuvaan rakenteen toiminnan seurantaan.

FEM- laskenta

Ennen FEM- laskennan suorittamista tutkin sillan rakennetta alkuperäisistä rakennesuunnitelmista rakenteiden mittojen ja jänteiden sijaintien osalta. Tämä selvitystyö auttoi rakenteen toiminnan ja rakennusmenetelmän ymmärtämistä, joka helpottaa mallintamista.
Tein sillan mallinnuksen lineaarisessa tilassa FEM- Design – ohjelmalla. Taipumien osalta tutkimusryhmän AXIS VM- ohjelmalla mallintaman sillan taipumat olivat likipitäen samoja. Tällä saadaan varmuutta mittausmenetelmien ja mallinnusohjelmien kalibrointiin. Epälineaarista laskentaa, joka sisältää jännepunokset ja muun raudoituksen, aloitin tekemään työssäni. Ohjelma on vielä tältä osin kehitysasteella, joten epälineaarinen mallintaminen todellisilla raudoituksilla on vielä mahdotonta. Myös rakennusvaiheittainen mallintaminen FEM-laskennassa on mahdollista kyseisellä ohjelmalla. Yleisellä tasolla elementtimenetelmä, johon ohjelma pohjautuu, on soveltuva siltojen toiminnan tutkimiseen.

Strusoftin FEM – Design ohjelma soveltuu siltojen kunnon arvioinnin apuvälineeksi. Ohjelman toiminnasta tuli luotettava kuva työn yhteydessä. FEM Design 22- versio ilmestyi työn tekemisen aikana 2.2.2023 ja ohjelmaan tehdyt päivitykset helpottavat käytännön mallintamista ohjelmalla. Esimerkiksi laskenta-ajat olivat lyhyempiä uudella versiolla laskettaessa.

Työn tekeminen mahdollisti vuoropuhelun ohjelmatoimittajan kanssa ja kehitystarpeista keskustelun. Lisäksi työ antoi mahdollisuuden kansainväliseen toimintaan Ruotsin siltarakenteisiin erikoistuneen henkilön, kanssa pidetyn palaverin muodossa. Myös rakennusvaiheiden tutkiminen on mahdollista kyseisellä ohjelmalla. Jatkotutkimusaiheena olisi epälineaarisen mallin tutkiminen pidemmälle. Tämä edellyttää paljon laskentatehoa ja vaatii enemmän tietokoneiden suorittimilta.

Työn kaksivaiheisuus mittausmenetelmien ja FEM- mallintamisen osalta oli hyödyllistä, koska tällöin vertailut ja käytännön toiminta on helpompi käsittää. Erityisesti ulomman jännevälin rakennetta ja yksityiskohtia tutkimalla havaitsin, että toiminnan ymmärtäminen ennen laskentatulosten analysointia on välttämätöntä.

Kirjoittaja:
Timo Kervola
Savonia-amk:n ylemmän ammattikorkeakoulututkinnon opiskelija
Timo.Kervola@edu.savonia.fi
Työn ohjaaja: Rakennetekniikan yliopettaja, TkT, Arto Puurula

Lisätietoja:
Luleå university of technology verkkosivusto www.ltu.se
Strusoftin verkkosivusto, 2022, https://strusoft.com/software/3d-structural-analysis-software-fem-design/