Projekt 12513 – Avslutat Inte bara broar - vibrationsanalys för tillståndsbedömning

Behovet av tillståndsbedömning av byggnader och andra konstruktioner har ökat under senare år. Metoder för tillståndsbedömning kan användas för att avgöra om en konstruktion kan fortsätta att bära den last den dimensionerats för eller om den rentav kan bära en ökad last. Alternativt kan den klargöra vilka förstärkningar som behövs för att förlänga byggnadens livslängd till nytta för både miljö och samhällsekonomi. En resurssnål metod för tillståndsbedömning av en konstruktion bygger på numerisk analys av så kallade fria vibrationer orsakade av naturligt förekommande excitering, som till exempel vågor, vind, människor och trafik.

Ett mer resurskrävande alternativ bygger på analys av konstruktionens vibrationssvar på en väl känd konstgjord excitering. Den exciterande kraften måste då mätas, och konstruktionen måste vara isolerad från andra större exciteringskrafter. I båda fallen finns mät- och analystekniker för att dela upp konstruktionens uppmätta vibrationer i en summa av så kallade vibrationsmoder. Sedan kan numeriska optimiseringsmetoder användas för att justera utvalda nyckelparametrar i en finit elementmodell av konstruktionen så att skillnaden minimeras mellan uppmätta svängningsmoder och de som förutspås av finita elementmodellen. Nyckelparametrarna kan till exempel vara randvillkor och/eller elasticitetsmodul i olika delar av konstruktionen. Lokala variationer av dessa kan då indikera en lokal svaghet i konstruktionen.

I projektet har nya vibrationsmätningar utförts på en betongplatta i laboratoriemiljö och på två broar i fält. I båda fallen har vi nyttjat både fria vibrationer och konstgjord excitering. Vibrationsmoder har räknats ut med några olika tekniker och detaljerade finita elementmodeller har gjorts för de olika konstruktionerna. I projektet har även vibrationsmoder analyserats och jämförts mot en finita elementmodell för ett flervåningshus, och några faktorer som är speciella för mätning och analys på sådana byggnader har beskrivits. För betongplattan och en av broarna har mätningarna upprepats efter att ha tillfört olika grader av skada. Analystekniker för tillståndsbedömning har implementerats i Matlab.

I en första utvärdering på betongplattan så är grunda sprickor svåra att detektera medan ökande djup på sprickorna gör att de kan detekteras på rätt halva av plattan eller mer noggrant. Matlab-koden struktureras för närvarande om för att publiceras i en form lämplig för andra att anpassa till egna liknande tillämpningar. Matlab-koden skall i nästa skede anpassas för att utvärdera tillståndsbedömningen på de omfattande mätningar som genomförts i samband med fullskaleförsök på en 33 m lång stålfackverksbro. Tillståndsbedömningen innefattar mätningar från både intakt bro, bro med delar skadade samt efter att bron belastats till brott. Dessutom har enkel utrustning och enkla analysmetoder utvecklats för att säkerställa snabb och säker kalibrering av accelerometrar i fält. Detta behövs för att få jämförbara mätsignaler från de olika accelerometrarna oavsett ändringar i temperatur och väderförhållanden.

Slutredovisningen utgörs av rapporten "Inte bara broar - Vibrationsanalys för tillståndsbedömning", Niklas Grip, LTU (88 sidor).