2004-01

In short: •Ca 6500 employees •Owns and maintains the national road network •Close to 15000 bridges •Total volume of work ca 2,5 billion €

Ebbe Rosell, M.Sc. Civ. Eng., works in a group of national bridge and tunnel specialists at SNRA. Main field of interests are concrete structures, fiber technology and foundations.

1 2004-01

Källösund bridge

A case studie of instrumentation and monitoring of an existing bridge on the Swedish west coast.

The purpose of monitoring was to allow heavy traffic while waiting for strengthening measures to be carried out.

2 2004-01

Aknowledgements

The bridge is owned by Vägverket, in English known as: Swedish National Road Administration (SNRA)

Expert knowledge as well as design, installation and follow up of instrumentation and monitoring has been provided by: NGI, Norwegian Geotechnical Institute, Oslo

Assessment and strengthening design has been done by: FB Engineering AB, Gothenburg

3 2004-01

Källösund bridge

4 2004-01

And where are we?

Skogen Svanskog Marieberg N Bro Udden Södertälje Salem Hökenäs Värmlandsbro Hult St Mellösa Tryggeboda Mosås Skottvång Kållerud Tyresta Åva Smådalarö Ölsboda Tumba Sund Bollsbyn Nykvarn Handen Svinesund Kråkviken Svalboviken Laxne Bäckhammar Odensbacken Pershagen Vårsta Jordbro Hälle Säffle Mullhyttan Fjugesta Ekeby Äsköping Dalarö N Herrenäs Hosjö Svartå Askersby Hälleforsnäs Uringe Solvik Kumla Hampetorp S Örrud Kvarntorp Bommersvik Nordby Bomarken Åbytorp Malmköping Viad Råglanda Sköllersta Läppe Vängsö Västerhaninge Medhamn Mellösa Järna Åtorp Hällabrottet Tarsta Bengtsfors Grimbråten Nybble Hasselfors Sannahed Ingvaldstorp Bie Stjärnhov Berga Krokstrand Hemfosa Åmål Molstaberg Grödby Pålsboda Björnlunda Hallsberg Kilsmo Sparreholm Hällestrand Fullbro Skåpafors Heden Billsbro Vingåker Marmorbyn Flen Skebokvarn Hökhult Gnesta Segersäng Fengersfors Sköldinge Mölnbo Hölö Högstad Gunnarsbyn Billingsfors Porla brunn Vretstorp Östansjö Sorunda Skogaholm Däldenäs Högsjö Valla Strömstad Tösse Gaperhult Brevens Marsjö Baggetorp Skee Gäserud Ålösund Laxå Katrineholm Ösmo Dals Åsbro Skåle bruk Gullspång Rolfsbyn Skagersvik Glottra Ed Långed Ramundeboda Kårberg Ödebyn Otterbäcken Rude Forssjö Vagnhärad Hämmen Hällan Vammen St Vika Vassbotten Röfors Svinnersta Skyllberg Aspa Ekenäs Trosa Nynäshamn Finnerödja Rönneshytta Haddebo Närkesberg Strångsjö Bettna Hävla

Askersund Gryts bruk Hjortkvarn Runtuna Håverud Vrena Bogsta Torim Hova Markebäck Åmmeberg Tanum Backa Gillanda Gårdsjö Tystberga Bäckefors Åsensbruk Upperud Sjötorp Östad Tova Folkström Bränna Ramsnäs Igelfors Rejmyre Björkvik Hammar Zinkgruvan

Liveröd Köpmannebro Lyrestad Älgarås Sänna Tybble Grytgöl Stigtomta Tanumshede Kristinefors Greby Flasbjörke Skogsby Sjösa Torsö Aspa bruk Bastedalen Ljusfallshammar Häradstorp Studsvik Kristineberg Virå Enstaberga Grebbestad Tegneby Dals Rostock Skagen Stigstorp Isefall Johannisberg Rodga Hult Olshammar Lotorp Nyköping Smeviken Mariestad Myrhult Undevi Hällestad Stavsjö Svalsta Hud Gerdsrud Mellerud Borggård Näkna Jönåker Bergs- Tjällmo Arnö St Anrås Degerön Sonstorp Finspång Ålberga hammar Högsäter Töreboda Rabbalshede Hedekas Årnäs Fjällbacka Jakobsbyn Västanvik Strömsfors Örnäs Traneberg Sötåsen Bocksjö Falla Rösäter Ryd Hultsbruk Åby Ullervad Älgmyra Kolmårdens Buskhyttan Oxelösund Ön Strand Bön Hällekis Undenäs Medevi Getå Hällevadsholm Bona Katterum Eliantorp Svärtinge djurpark Torsängen Sunnerby Lugnås Hamburgsund Färgelanda Granvik Rölsa Nykyrke Kvarn Karlsby Skenäs Nävekvarn

Håvesten Brålanda Mauritsberg Stigen Moholm Tolskepp Lindö Dingle Ödeborg Askeberga Forsvik Flugebyn Åboland Vånga

Ellenö V Bodane Borensberg Skärblacka Ö Husby Stenhammar Blomberg Lagerfors Bovallstrand Lidköping Karlsborg Gottorp Frändefors Timmers- Motala Roxenbaden Munkedal Grunsbo Källby Götene dala Väring Österstad Melby Norrköping Hunnebostrand Ljungsbro Luddingsbo Torreby Råda Mölltorp Filsbäck Stöpen Klockrike Bergs Lerdala Skärstad Mem Brodalen Lundsbrunn slussar Arkösund Såtenäs Vinninga Ulvåker V Husby Väjern Backa Ekängen Söderköping Hogstorp Eggby Fagersanna Fågelsta Fornåsa Hovenäset Fagerhult Siviken Skofteby Kungshamn Brastad Tun Vadstena Tallboda Gistad Mogata Rixö Linghem Halleby Smögen Malmön Gustavsberg Vänersborg Axvall Älgarås Malmslätt Uddevalla Saleby Tibro Askeby Varnhem Rappestad Ö Ryd Herrestad Järpås Ardala Ulvhult Linköping Vargön Skövde Borghamn Skänninge Bräcke Grästorp Ekhammar Vikingstad Ammenäs Bjällum Värsås Fillingerum St Levene Bankekind Lysekil Mantorp Sjögestad Slaka Håkantorp Jung Hogstad Ringarum Solberga Sturefors Fillinge Björsäter Ramsdal Fiskebäckskil Trollhättan Sya Häggebo Kvänum Korsberga Vara Broddetorp Mjölby Henån Helås Hjo Strand Väderstad Stenstorp Blikstorp Stavsätter Grebo Grundsund Ljungskile Väne-Åsaka Främmestad Emtunga Borkhult Hästholmen Nykil Arentorp Edhem Skeda udde Tråvad Sättra Svartmåla Gusum Sjuntorp Bersbo Fredriksnäs Ellös Gudhem Ånnebo Målbäck Gärdsnäs Kollungeröd Nossebro Ödeshög Torbjörntorp Isleryd Stengård Fröjerum Backamo Ekedalen Strålsnäs Önnebo Bestorp Berg Hjärtum Brokind Valdemarsvik Svanesund Upphärad Larv Boxholm Hälleviksstrand Varekil Svenshögen Vedum Falköping Bonderyd Hulta Rumma Haga St Mellby Åtvidaberg Jonslund Lilla Edet Tidaholm Sunneby Gryt Svanvik Floby Odens- Madängsholm Trehörna Ödsmål Sollebrunn Fåglavik Boet Flathult Göta berg Opphem Mollösund Rimforsa Sommen Falerum Breviksnäs Ulrika Myggenäs Stenungsund Gräfsnäs Herrljunga Vartofta Strandnorum Brandstorp Kinnarp Mosshult Kållekärr Röhälla Skedshult Söderö Nelhammar Lödöse Duvebo St Höga Ekeberg Storsjö Skärhamn Kättilstorp Rödån Jörlanda Alvhem Vänga Vårgårda Åsarp Blidstena Skepplanda Baskarp Tranås Skakeltorp Annelund Skär Klädesholmen Bleket Gränna Örserum Björkefors Edsbruk Älvängen N Säm Fagerhult Rönnäng Kode Ljung Näs Sandhem Tyllinge Kaggebo

Åstol Diseröd Trädet Gripenberg Kisa Kringlarp Överum Djursnäs Torpåkra Marstrand Nol Alingsås Björkenäs Hestra Sjövik Blidsberg Svenningeby Hammars Furusjö Fästad V Bodarna Mollaryd Älmestad Kungälv Nödinge Frinnaryd Björboholm Ryfors Habo Brötjemark Kärna Ellesbo Hjälmared Dalum Sundhultsbrunn Loftahammar Rödbo Borgstena Mullsjö Galthult Asby Surte Ingared Kappelshamn Gråbo Brunstorp Verveln Horn Gamleby Fårösund Skärstad Hökerum Timmele Irevik Olstorp Bosgård Tollered Säve Hedared Ådala Lickershamn Rörö Fristad Aneby Olofstorp Floda Nitta Forsnäs Kauparve Trånghalla Lergrav Hyppeln Töllsjö Ryd Ålhult Aspenäs Österbymo Burge Lärbro Tuve Rångedala Björkö Lerum Sandhult Gullringen Hälsö Frufällan Ulricehamn Jönköping Boafall Jonsered Rydsnäs Öckerö Torslanda Borås Flisby Ydrefors Vrångfall Piperskärr Kyllaj Äspered Tingstäde Barläst Torhult Jenny Hönö Hindås Sjömarken Marbäck Jära Landvetter Sandared Knutstorp Dalsjöfors Solberga Lummelunds bruk Slite Härryda S Vi Västervik Fotö Göteborg Viared Gånghester Näsboholm Odensjö Anneberg Krusmyntagården Rings Olsfors Dannike Toverum Forserum Skiverstad Vennebjörke Gunnebo Målsryd Rånnaväg Skäfshult Frödinge Målängen Brännö Mölnlycke Bollebygd Barnarp Rydboholm Äng Katthult Snäckgärdsbaden Klinte Bugärde Vegby Fagersand Ytterhult Styrsö Bolås Rävlanda Sjöberg Eksjö Härstorp Ankarsrum Viskafors Aplared Gällstad Vimmerby Ormaryd Visby Kållered Hillared Månsarp Konungsö Hult Donsö Kansjö Nässjö Bruzaholm Yxered Inseros Åminne Vrångö Ingatorp Totebo Billdal Lindome Ubbhult Länghem Långanäs Vibble Kinnarumma Fredriksdal Hjältevad Mariannelund Ekeryd Hjorted Dalstorp Solbacka Högklint Kullavik Sexdrega Stensjön Storebro Spångenäs Blankaholm Särö Rydal Bratteborg Malmbäck Ryningsholm Anneberg Skärsboda Sätila Limmared Ljungsarp Hult Getterum Blåhäll Kungsbacka Nittorp Byarum Vallda Rosenlund Grimstorp Lönneberga Roma Hok Adriansnäs Skene Svenljunga Klappa Värne Mörtfors Gnisvärd Halla Fjärås Björköby Väderum Tranemo Vaggeryd Bodafors Öresten Vena Backa Haratången Uddebo Grimsås St Åkerhult Sandsjöfors Ekenässjön Berghem Äskhult Stenbo Grönö Bjärges Gottskär Tom Bökarp Skede Pauliström Vederhult Katthammarsvik Hestra Björketorp Rydbo Vakås Rydet Hyltenäs Sjunnen Holsbybrunn Herrvik Öxabäck Holsljunga Skillingaryd Kråkelund Ambjörnarp Nissafors Vetlanda Nävelsjö Järnforsen Hagelsrum Klintehamn Torestorp Hid Älvshult Åsa Sävsjö Ädelfors Baggetorp Simpevarp Marieholm Fårbo Överlida Sjötofta Hagelstorp Myresjö Målilla Boderås Gnosjö Frillesås Flathult Ö Frölunda Klevshult Björnhult Vrigstad Landsbro Rosenfors Nye Skrikebo Ljugarn Kungsäter Mjöbäck Gislaved Hillerstorp Grankulla Stockaryd Mossebo Bråbo Byxelkrok Björnhult Mörlunda Väröbacka Anderstorp Korsberga Veddige Stånga

Bua Älvsered Kulltorp Bösebo Saltvik Mårdaklev Arnåsholm Korsvägen

Hällabäck Lönås Århult Hörle Hemse Rörvik Milletorp Kvarnåkershamn Hörte Lanna Trånshult St Havor Hörnebo Tångaberg Höreda Triabo Lillsjödal Tofta Skällinge Os Lindshammar Hjärtared Burseryd Hultanäs Fågelfors Ronehamn Fridhemsberg Reftele Bredaryd Norrabo Berga Havdhem Trönningeby Rolfstorp Forsheda Kärda Skälsbäck Skorpetorp Horn Möcklehult Värnamo Åseda Ringhult Högsby Påskallavik Smålandsstenar Löttorp Ullared Ätran Fagerhult Berga Broaryd Skeppshult Lammhult Nisseviken Varberg Åminne Klavreström Finsjö Fegen Angryd Fliseryd Hagelstad Sandsjöryd Träthult Mjösebo Norrhult Em Jordhamn Bor Träslövsläge Tånnö Ruda Högenäs Landeryd Hånger Åkvarn Grimhult Svartö Böksholm

Tvååker Sandvik Grönskåra Allgunnen Kinnared Habbestorp Horda Braås Ödängla Torpsbruk Bergagård Hyltebruk Sunnaryd Mönsterås Burgsvik Långås Brännögård Ideboås Rottne Björnö Vare Moheda Åby Vessigebro Sävsjöström Älghult Torup Valar Åkebo Vittaryd Rydaholm Tålebo Oknö S Greda Glommen Vinberg Lenhovda Alstermo Skoghult Äleklinta Rydöbruk Unnaryd Ramnåsa Blomstermåla Djurstad Moshult Feringe Östraby Timmernabben Skogstorp Fröseke Alsterbro Ålem Kårehamn Hallsjö Hagerås Holmhällar Skrea Falkenberg Heberg Ruggstorp Lagan Hjortsberga Vannborga Målerås Fröslida Pata malm Valsnäs

Alvesta Växjö Bolmstad Borgholm Slöinge Gullaskruv Bäckebo Ängaholm Kårestad Köpingsvik Ugglarp Bårarp Getinge Bökö Ryssby Gemla Kosta Kåremo Lidhult Angelstad Furuby Gadderås Åsen Oskarström Ljungby Orrefors Flygsfors Gelebo Böle Stensjö Åryd Tikaskruv Kvibille Fröböke Äskilt Årshult Berghem Halltorp Steninge Sennan Byholma Fagerhult Flerohopp Tombo Hovmantorp Rockneby Störlinge Tavla Vislanda Strömbergs- Biskopstorp Singsjö Össjö hyttan Kristvallabrunn Revsudden Ekerum

Haverdal Harplinge Åled Kånna Läckeby Holm Hermanstorp Simlångsdalen Lammakulla Ingelstad Åfors Fiskesjö Gullbrandstorp Boda glasbruk Nybro St Rör Esmared Gottåsa Lindsdal Villshärad Skärvö Ivla Grimslöv Lessebo Roshult Eneryda Eriksmåla Skedala Ljunghult Lerkaka Frösakull Torne Trekanten Halmstad Bölminge Nöbbele Kalmar Lossbygget Skruv Örsjö Algutsrum Tylösand Johansfors Skararp Broakulla Fyllinge Ormhult Liatorp Linneryd Smedby

Rinkabyholm Färjestaden Påarp Trönninge Diö Väckelsång

Korrö Emmaboda Eldsberga Råshult Hulevik Tvärskog Laxvik Mästocka Vivljunga Ljungbyholm Skogsby Gårdby Genevad Traryd Bohult Kvarnamåla Långasjö Veinge Vassmolösa Äskya Vrångebo Kammarbo Strömsnäsbruk Bro Tjärby Skogaby Delary Påryd Hagby Knäred Trälshult Häradsbäck Urshult Rävemåla Vissefjärda Mellbystrand Hjortsberga Älmhult Tingsryd Laholm Barkhult Ålshult Mörbylånga Dångebo Frostensmåla Klippingsbo Skummeslövs- Yxnanäs Vallberga Kåphult Timsfors Halltorp strand Killeberg Hensmåla Strömby Bårby Ränneslöv Hökön Misterhult Konga Saleboda Alby Skottorp Markaryd Hallaböke Trulsatorp Ryd Glasholm Båstad Bäckaskog Djuramåla Torekov Hannabad Våxtorp Skruvemåla Söderåkra Kastlösa V Karup Ö Karup Hishult Duvhult Farabol Hasslöv Bidalite Västerstad Rammsjöstrand Grevie Emmaljunga Tosthult Göljahult Holmsjö Lönsboda Fridafors Djursvik Skärlöv Marklunda Torsås Boalt Osby Boalt Midingsbråte Sillhövda Bergkvara Förslöv Nordanå Skälmershult Bälganet Bjurabygget Skånes-Fagerhult Gettlinge

Stavershult Nävragöl Vejby- Hjärnarp Skånes Värsjö Vilshult Järnsida Degerhamn Vittsjö Sibbarp Kyrkhult Alnaryd strand Slätafly Åsljunga Mölle Björkeröd Strönhult Hemsjö Grimsmåla Möljeryd Albrunna Seby Arild Bjärnum Östanå Glimåkra Stubbelycke Levershult Tving Munka-Ljungby Örkelljunga Slättsjö Hästveda Glimminge Åkeholm Spjutsbygd Sälleryd Lerhamn Ängelholm Breanäs Olofström Halahult Svängsta Silpinge Fridlevstad Brömsebro Eketorp Jonstorp Eket Sibbhult Skärsnäs Långahall Kättilsmåla Utvälinge Bälinge Hasselstad Grönhögen Väsby Mala Rödeby Fågelmara Jämshög Vång Ekebjär Gränum Bräkne- Näsby Höganäs Tånga Hylta Sjöarp Hoby Mjöhult Vankiva Ballingslöv Hjärsås Åryd Lerberget Häljalt Olsäng Spannarp Stidsvig Mörrum Asarum Karlskrona Oderljunga Immeln Strövelstorp Östra Ljungby Finja Stoby Viken Tyringe Knislinge Näsum Hällaryd Nättraby Kattarp V Torup Ramdala Hasslarp Perstorp Arkelstorp Pukavik Järnavik Jämjö Domsten Klippan Hässleholm Hanaskog Karlshamn Vieryd Saxe- Ronnebyhamn Allerum Åstorp Axeltorp mara Hallarum Kugge- Hyllinge Kvidinge Stärnö Ödåkra Tormestorp Norje boda Svanhalla Hittarp Gunnarstorp Vinslöv Torsebro Steneryd Bjuv Åraslöv Österslöv Hasslö

Helsing- Mörarp Färlöv Ysane Sturkö Billesholm Balsby Bromölla Drottning- Torhamn Ljungbyhed Påarp Lörby skär borg Önnestad Gualöv Bårslöv Skäralid Mjällby

Ekeby Sösdala Ljungarum Fjälkinge Hörvik Härsnäs Kristianstad Nymölla Sölvesborg Kågeröd Tjörnarp Gantofta Röstånga Viby Tosteberga Vallåkra Hällevik Rydebäck Billinge Nogersund N Åsum Glumslöv Rinkaby Landön

Härslöv Tågarp Stockamöllan LinderödTollarp Gärds Köpinge Höör Åhus Stehag Sätofta Bjära Ludvigsborg

Ripa Landskrona Everöd Billeberga Teckomatorp

Yngsjö Kungshult Ö Sönnarslöv Häljarp Marieholm Eslöv Osbyholm Annelöv Hörby Saxtorp Dösjebro Huaröd Ålstorp Degeberga Snogeröd Hofterup Kävlinge

L Harrie Gaddaröd Önneköp Barsebäck Furulund Löberöd Hurva Gårdstånga Vallkärra S Lökaröd Löddeköpinge Flyinge Stångby

S Sandby Bjärred Bjärsjölagård Brösarp Harlösa Lund

Vollsjö Vitemölla Lomma Hjärup Dalby Hällestad Vitaby Kivik

Åkarp Lövestad

Staffanstorp Veberöd Sjöbo Idala Malmö Klågerup Tranås S:t Olof Östarp Vik Genarp Äsperöd Bara Baskemölla Onslunda Bunkeflostrand Oxie Holmeja Blentarp Ö Vemmerlöv

N Klagshamn Smedstorp Gärsnäs Simrishamn

Käglinge Tygelsjö Svedala Tomelilla Lunnarp Ö Tommarp Hököpinge Gessie V Ingelstad Sövestad Brantevik Skurup Vellinge Ö Grevie Hammenhög St Herrestad

Rydsgård

Alstad Skillinge Balkåkra Köpingebro Skanör Höllviken Ystad Borrby Anderslöv Falsterbo Skegrie V Virestad Löderup Skivarp Svarte Nybro- Klagstorp Ljunghusen Abbekås strand Hagestad

Kåseberga Trelleborg Skateholm Gislövs läge Beddingestrand Simremarken Smygehamn

26672 m

5 2004-01

The tragedy

The bridge in the background is Tjörn bridge which was built after a disaster in January 1980. Eight people were killed as they drove of the bridge and into the water below.

6 2004-01

Källösund bridge Free cantilever bridge Built 1960 Span 50 + 107 + 107 + 50 m Traffic 15000 / 24 h

7 2004-01

Original drawing

8 2004-01

Mid span joints

9 2004-01 Added public walkway on one side

10 2004-01

PROBLEM 1:

Long term creep has led to a sagging bending moment close to the abutments.

• Not foreseen in the design

• Very small bearing capacity for sagging moment

• Drilled cores from the casting joints in the bottom flange separated in two pieces when taken up of the hole

• Considered to be an urgent matter Æ Monitoring!

11 2004-01

Reason for the sagging moment

The bridge was built with the free cantilever method and then the ends were placed on the abutments. This gives the following chain of events.

• Stress dependent creep will try to lower the free ends

• The abutment will restrain this deformation

• As a result a sagging moment occurs in the outer parts of the cantilevers

12 2004-01

Measuring of self weight reaction at the bridge end to calibrate the creep assumptions

13 2004-01

PROBLEM 2:

The shear reinforcement in the webs is not up to our modern design codes.

• Torsion from public walkway was not foreseen in the design

• Very small amount of stirrups

• Webs will be strengthened with CFRP.

14 2004-01

--- Bending Need for strengthening III Shear

15 2004-01

Preliminary solution

To maintain access for heavy vehicles it was decided to monitor the sections with low bending capacity.

Note that the bridge has extra capacity if a redistribution of bending moments is allowed.

16 2004-01

Instrumentation

In areas with unsufficient bearing capacity for sagging moments strain gauges were installed along the lower corners of the beam.

The strain gauges were checked and calibrated with a load test.

17 2004-01

System layout

A chain of overlapping 300 mm long strain gauges were placed along each corner

18 2004-01

Inside the bridge all sensors are connected via this cabinet

19 2004-01

Load test of instrumentation

• A load test was carried out to verify the assessment calculations.

• As load a 70 ton truck was used.

• Due to traffic considerations the load test was done at night. (Well, there was an attempt….)

• The test showed a fine correlation between calculated and measured strains.

20 2004-01

Load test of instrumentation

21 2004-01

Load test results

Calculated strain was 50 microstrain for ”cracked” concrete The test showed a mean value of 40 microstrain Peak values of up to 280 microstrain were registered at casting joints that had been found to be cracked

22 2004-01 Temperature Temperature is measured to allow corrections of the measured strains.

A good correlation has been found between temperature and strains measured during 18 months. Note the delay from surface temperature to mean temperature.

Temperature Æ

Strain Æ

23 2004-01

Monitoring solution

The strain gauges are automatically monitored with 3 min. intervals.

An alarm limit of 300 microstrain corresponds to a crack width of 0.1 mm within a 300 mm long gauge.

If 300 microstrain is recorded an alarm automatically goes to the ”Traffic Information Centre” (TIC) at the regional office of SNRA in Gothenburg.

TIC is manned around the clock and will alert the bridge engineer in case of an alarm.

24 2004-01

Monitoring period

Monitoring began in December 2000.

10 out of a totally installed 72 gauges has been reported faulty.

Strengthening will be done during summer 2004.

Æ Total running time 3.5 years.

Intrumentation might be used to verify the statical behaviour of the strengthening, but the present gauges have to be removed as they are in the way.

25 2004-01

Conclusions With monitoring heavy traffic can be allowed even when calculated bearing capacity is insufficient.

The load test and traffic during the monitoring shows that the cracks in the bottom flange open under load but close again.

26