Kompendiet handler generelt om byggverk, med hovedvekt på broer og brotyper.

Transkript

1 LAILA LØSET

2 Kompendiet handler generelt om byggverk, med hovedvekt på broer og brotyper. Konstruksjon av byggverk.3 Materialer og sammenføyningsteknikker 5 Belastninger.7 Konstruksjonselementer..12 Broer. 19 Brotyper 23 2

3 KONSTRUKSJON AV BYGGVERK Byggverk Med byggverk mener vi hus, veier, broer etc. dvsstrukturer konstruert av mennesker. Planlegging Byggverk planlegges av ingeniører og arkitekter. Arkitektene ha hovedansvar for formgivingen mens ingeniørene planlegger selve konstruksjonen. Konstruksjon Selve konstruksjonen utføres av bygningsarbeider. Det foreligger da detaljerte tegninger og beskrivelser som arbeiderne skal følge. 3

4 Bærende konstruksjoner Konstruksjonen skal kunne bære den belastningen den utsettes for samtidig som vekten av konstruksjonen utgjør en del av lasten. Poenget blir da å bygge både lett og sterkt. Reisverk Skal bære tunge vegger og tak. Det er derfor viktig at reisverket har stor stivhet og styrke. Materialer Vi bruker materiale direkte fra naturen som sand, stein, grus. Bearbeidede materialer er f eks trematerialer som er skåret og høvlet og bjelker av metall. Prefabrikerte elementer er laget til spesielle formål som glassruter, murstein, takstein 4

5 MATERIALER OG SAMMENFØYNINGSTEKNIKKER Sammenføynings- Fordeler Ulemper teknikker Tre Spiker Relativt sterkt Brenner lett Skruer Kan kuttes og formes Kan råtne Lim Kan sprekke Stål Sveising Meget sterket og stivt Kan ruste Skruer Kan formes Mister styrke Nagler Lages til wire og kabler ved >700 C Aluminium Som stål Som stål Ganske dyrt Lettere Svakere enn stål Ruster ikke Murstein Sement Mange typer Trenger ikke reisverk Betong Støpes Meget sterkt Kan gis ønskede former Meget tungt Krever meget nøyaktig behandling 5

6 Betong Et av de viktigste byggematerialer i dag. Det har høy styrke og holdbarhet, er brannsikkert og formbart og relativt rimelig i pris. Fremstilles av sement, vann, sand og stein. Sement blandet med vann fyller ut alle hulrom mellom sand og stein og holder det sammen om et slags lim. Dette limet størkner og herder som annet lim og betongens styrke bare øker med tiden. Betongen støpes i former og kan etter en viss tid stå av seg selv og formene/forskalingen fjernes. Med en spesiell teknikk kan det også støpes betong under vann.. Betong brukes til hus, bjelker, søyler, gulv, veidekke, broer, kaianlegg, oljeplattformer. 6

7 BELASTNINGER Alle deler av et byggverk blir utsatt for belastninger. Belastningen gir indre spenninger i materialet som kan føre til deformasjon og brudd. Vi skiller mellom statisk og dynamisk belastning Pål Statisk belastning Pål Dynamisk belastning Pål Deformasjon Brudd Det er ingeniørenes jobb å beregne hvor stor belastning et byggverk må tåle og dimensjonere materialene deretter. Gulv (og andre flate konstruksjoner) må ha et kraftig bjelkelag under gulvbordene for å tåle den maksimalt antatte belastning. Gulvbord Bjelkelag 7

8 Eksempel Bildet viser Aamot bro over Akerselva. Inskripsjonen illustrerer forskjellen på statisk og dynamisk belastning. 100 MANN KAN JEG BÆRE MEN SVIGTER UNDER TAKTFAST MARSCH 8

9 Ytre krefter på materialer Materialer blir utsatt for forskjellige krefter ettersom hvordan de er plassert i byggverket. Krefter som virker Bjelke Strekk Formforandring (sterkt overdrevet) Bøyning Tosjon vridning Trykk Skjær 9

10 Mekaniske Materialegenskaper Beskriver hvordan forskjellige materialer reagerer på mekaniske belastninger Ytre last Figurene viser de vanlige typer belastninger på horisontale bjelker i et byggverk. De blå pilene viser krefter som oppstår inni bjelkene. Disse kreftene gir spenning inni materialet som kan føre til brudd hvis materialet ikke er sterkt nok. Spenning defineres slik: Spenning = kraft : areal (N/m 2 ) 10

11 Armert betong Betong tåler meget stort trykk, men lite strekk. Ved å støpe inn stålstenger kan man også bruke betong der det ellers ville blitt sprekker i betongen pga strekk. Stålet tåler mye strekk slik at dette er en meget gunstig kombinasjon. Varmeutvidelse Stål har samme varmeutvidelseskoeffisient som betong. Hvis ikke det var tilfelle kunne vi ikke armert betongen med stål fordi betongen ville sprekke ved temperaturforandringer. Spennarmert betong Slakkarmert betong Før oppspenning og pålasting Før pålasting er stålstanga slakk Her er stålstanga spent opp -- betongen bøyes Etter pålasting Når spennbetong belastes får det sin opprinnelige form tilbake 11

12 KONSTRUKSJONSELEMENTER Endimensjonale konstruksjonselementer Søyle Bjelke Kabler tåler mye strekk, men kan ikke trykkes sammen. Skal tåle store bøyningskrefter Brukes i hengebroer, skråstagbroer, barbunertemaster og taubaner Skal tåle store trykkrefter Bue Staver som brukes i fagverk Må tåle trykk og strekk, ikke bøy. En bue er en spesielt sterk konstruksjon. Brukes mye i bygninger og broer. 12

13 Todimensjonale konstruksjonselementer Membran Plate En membran er f eks et telt. Det må spennes opp av stive stenger. Tåler ikke stor belastning, men egner seg til å beskytte mot regn. En plate må tåle bøyningskrefter Skall Skive Skiver tilsvarer en søyle. Pilene viser indre krefter i materialet. Et skall er som en bue, tåler store trykkrefter. 13

14 Bjelker Bjelker er bygningsmaterialer som skal tåle store bøyningskrefter. De er vanligvis tykke og kraftige. De kan være av tre, stål eller armert betong Bjelkens orientering bestemmer hvor stiv konstruksjonen blir. En bjelker som står på høykant tåler størst belastning Profilerte bjelker Figuren viser en bjelke som er belastet på midten. Dette gir trykkrefter på oversiden og strekk på undersiden. Langs en midtlinje vil det være verken trykk eller strekk. Midtpartiet er dermed egentlig overflødig. En hul bjelke gjør sammen nytten og er mye lettere. Dessuten blir materialkostnadene mindre De mest brukte bjelkeprofiler 14

15 Åpne strukturer Når et bygg skal planlegges er det viktig å holde vekt og kostnader lavt samtidig som bygget skal ha stivhet og styrke til å tåle de belastninger det blir utsatt for. Åpne strukturer og profilerte bjelker brukes derfor mye. Tre staver satt sammen i en trekant er en stiv struktur mens en firkant vil kollapse hvis den ikke er stivet opp med et tverrstag. Fagverk Fagverk er åpne strukturer hvor materialmengden er minimalisert. Det kan brukes som bærende eller avstivende bygningsdel. Det består av forholdsvis lange og tynne staver festet sammen i knutepunkter slik at de danner en serie trekanter. Fagverk har meget høy bæreevne i forhold til vekten Overgurt Undergurt Knutepunkt 15

16 Fagverk Er mye brukt i broer, tårn og kraner 321 m Motvekt Last Eiffeltårnet er en meget kjent fagverkskonstruksjon. Bygd av Gustave Eiffel til verdensutstillingen i Paris 1889 Takstol Er sammensatt av trekanter. Gule piler viser belastning, røde piler viser trykk og strekk i materialene. 16

17 Bygninger Deles gjerne i 4 typer: Boligbygg Industribygg Kommersielle bygg Servicebygg Enebolig, flermannsbolig, blokk Bygg for industrivirksomhet Butikk, kontor etc Skole, sykehus, eldrebolig Herunder regnes også f eks veier, broer,tunneller, flyplasser Fundament Den del av strukturen som står på jorda. Det er viktig at dette er stabilt og sterkt. Det er vanlig å grave ned til grunnfjell og støpes fundament på dette. Grunnmur Overbygning Hviler på fundamentet. Jo større og tyngre overbygningen er jo sterkere fundament må vi ha. 17

18 Under gata I byer trenger bygningene tilførsel av strøm,vann etc. samt kloakkavløp. Dette ligger ofte under gata. I større byer har vi også undergrunnsbaner og parkeringsanlegg under gata. Vann fra gata Kabler til Radio/TV Høyspent Lavspent Telefon Gatelys Asfalt Pukklag Dypere jordlag Vann Undergrunnsbane Gass Kloakk Vanntransport 18

19 BROER Last Det en konstruksjonen må tåle av forskjellig type belastninger. Egenvekt G Konstruksjonen må bære sin egen vekt, derfor er det gunstig at denne minimaliseres. Nyttelast Den belastning som konstruksjonens formål medfører Naturlast Snø Konstruksjonen må tåle påvirkning av vind, snø og andre naturkrefter. Ulykkeslast Det kan skje ulykker som gir belastninger på konstruksjonen. Dette må i størst mulig grad kunne forutses og tas høyde for i planleggingen. 19

20 Brotyper Valg av brotyper er avhengig av grunnforhold, trafikk, økonomi og ikke minst av lengden av brospennet. Noen steder skal broen gå over skipsleden. Da må man velge en bro som gir tilstrekkelig seilingshøyde, eller en som kan åpnes for skipsfarten. Bjelkebro Hvelvbro Buebro Hengebro På steder med dårlige grunnforhold velges gjerne hengebroer og skråstagbroer. Disse har høye tårn som brobanen henger i. Tårnene kan plasseres på land. Skråstagbro Mange broer er kombinasjoner av forskjellige typer. 20

21 Pilarer Mange broer er understøttet av pilarer. Grunnforholdene er avgjørende for hvor disse skal plasseres. Med brospenn mener vi avstanden mellom to støttepunkter. Pilarene kan ha peler hvis grunnen er svak Landkar Landkar er fundament på landsida. Sammen med pilarene skal landkarene balansere belastningen på broa. De er derfor ofte store og massive. Brobanen Fjell Eksempler på landkar Forankring Hvis det er fjellgrunn ved brohodet, kan forankringen bores ned i fjellet og støpes fast. Til forankring i jord brukes mollypluggprinsippet: stålbjelker med ekspansjonsdel i enden som bores langt ned i jorda. 21

22 Fritt frembygg Byggingen starter ved en pilar og går utover på hver side slik at broen hele tiden er i balanse. Bjelkehøyden er størst inne ved pilaren og avtar utover. Dette er en vanlig byggemetode ved bjelkebroer og utkravere. Glideforskaling Glideforskaling Ved fritt frembygg brukes ofte glideforskaling som forflyttes fremover ettersom byggingen går frem. Dette er gunstig nå broen skal bygges over en dyp kløft eller den skal være svært høy. Da slipper man å bruke høye stillaser. Metoden brukes også ved bygging av tårnene til hengebroer og skråstagbroer. 22

23 BROTYPER Bjelkebro Trykkrefter Strekkrefter Dette er den enkleste broen. En bjelke støttes i hver ende. Når bjelken belastes presses toppen av brobanen sammen, mens bunnen strekkes. Belastningskreftene (grønne) fordeles på pilarene og ledes til grunnen. Vanlig spennvidde: meter En bjelke spenner sjeldent over mer enn 75 meter, men ved å legge flere bjelker etter hverandre kan broen likevel bli lang. En bjelkebro med mange spenn må ha ekspansjonsfuger mellom bjelkene slik at de har rom til å utvide seg når temperaturen øker. Spenn Verdens lengste bro, Lake Ponchartrain Causeway, er en bjelkebro. Den består av to parallelle baner med 2243 bjelkespenn på den ene og 1500 litt lengre bjelker på den andre. Broen hviler på mer enn 9000 sementsøyler. I alt er broen 38,5 kilometer lang. 23

24 Buebro Bueformen er en meget solid struktur. Moderne buebroer er vanligvis laget av stålforsterket betong. De kan ha ganske lange spenn og trenger forholdsvis lite vedlikehold. Buebro hvor veibanen hviler på pillarersom står på buen. Buebro hvor veibanen henger i vaiere i buen. Belastningskreftene fordeles på pillarene og ledes ned i grunnen (grønne piler). 24

25 De eldste buebroer Steinhvelvbroen som er blitt bygget helt siden romertiden er den enkle grunnformen for de moderne buebroene av stål og betong, hvor brobanen bæres av buen og dens søyler. Den gamle Romerbroen over Guadalquiviri Cordoba, Spania 25

26 Bygging av en stor buebro Først bygges de landfaste delene. Så lages en forskalingsbue (blå) i tre deler. To deler festes i hver sin side og holdes oppe av liner. Midtdelen heises så på plass. Så skjer støpingen av betomngbuen etappevis i den orden tallene angir slik at buen hele tiden er tilnærmet jevnt belastet Når betongen er blitt hard blir forskalingen flyttet og brukt til betongbue nr 2. Tilslutt blir samme forskaling brukt til å lage fagverk mellom de to betongbuene. 26

27 Arrabidabroenover elven Douro i byen Porto i Portugal Denne broen er en av verdens vakreste og best kjente buebroer. Da den ble bygget i 1963 var den verdens lengste buebro i betong med brospenn på 270 m. De store buene er hule for å minske vekten og forbundet med et diagonalfagverk som virker stabiliserende i retning på tvers av broen. Kjørebanen bæres av pilarer som står på buene. Kreftene på hvert landfeste tilsvarer ca 4500 tonn. Arrabidabroen ser nesten slik ut 27

28 Venezia Venezia er bygget på 120 øyer som er forbundet med 400 broer og mange av disse er buebroer. Ponte di Rialto er en av de mest kjente broene. Kanalene er trafikkert av gondoler som trenger å komme under broene. Canal Grande med broen Ponte di Rialto. Gondolierene har mange års utdanning og er høyt ansett. Dessverre synger de ikke lenger. 28

29 Buebro/bjelkebro I denne broen kombineres egenskapene fra bjelkebro og buebro. Kreftene ledes gjennom buen mot fundamentene, men i et annet nivå enn på vanlig buebro. Man får i tillegg press fra delene av broen som ligger utenfor buen. På sidene presser kreftene nedover mot støttepunktene. På figuren ser vi at buen gir god plass under broen slik at båter kan passere. Karmsund Bro er laget på denne måten. Buen og pilarene er laget av fagverk for å minimalisere vekten. Hvis buen skal være veldig høy, må tilførselsbroene på hver side være ganske lange 29

30 Hengebro Hengebro er det beste når brospennet er langt fordi materialene er kraftige og lette. Forankring i f eks fjell Hjul som gir mulighet for lengdeutvidelse ved temperaturendring Brobanen holdes oppe av stålvaiere som henger mellom to tårn. Endene av hovedvaieren er forankret på hver sin side av broen i massive gravitasjonsankre eller i fjell. Strekk i hovedvaier Trykkraft på tårnet Strekk i vaiere Total belastning Hengebroer er den brotype som blir mest påvirket av vind. I dag bruker man aerodynamiske bjelker og broene blir dimensjonert til å tåle ekstreme vindforhold. Avstand fra toppen av tårnet til hovedkabelens laveste punkt skal være minst 1/10 av brospennet. Verdens lengste hengebro har et spenn på nesten 2000 m 30

31 Bygging av store hengebroer Tårnene bygges først Glideforskaling Så strekkes hovedvaieren og forankres f eks i fjell Så henger man på brobanekonstruksjonen stykkevis slik at hovedvaieren blir noenlunde jevnt belastet Den berømte hengebroen over Golden Gate-sundet ved San Francisco har et spenn på 1280 m. Brotårnene er 224 m høye og hvert av dem inneholder tonn stål. Golden Gatebroen har så tykke kabler Hovedvaierene inneholder tråder som er spunnet sammen. Diameteren er ca 90 cm. Per 31

32 Store hengebroer Verdens lengste hengebroer: Humber Estuary GB 1410 Verrazano-Narrows, USA 1298 Golden Gate, USA 1280 Mackinac, USA 1160 Golden Gate Norges lengste hengebroer: Kvalsundbrua, Finnmark 525 Skjomen bru, Nordland 525 Sotra Bru, Hordaland 468 Varoddbrua, V-Agder 337 Rombaksbrua, Nordland

33 Utkraverbro Pål Dette er en utkraver Når den belastes i den frie enden bøyes den nedover. Brobanen får strekk i overkant og blir trykket sammen på undersiden En utkraverbro består av en eller flere utkravere. Ofte har disse en sentral pilar i midten og en utkraver på hver side Eller to utkravere settes sammen med et midtstykke Slik virker kreftene når broen belastes 33

34 Utkraverbro QueenferryBridge over Firth of Forth ved Edinburgh, Skottland ser omtrent slik ut. Den var verdens lengste utkraverbro(2,5 km) da den ble bygget i Vekt tonn De tre hovedkonstruksjonene er utkravere, og de to ståldragerene som forbinder dem er opplagrede bjelker. For øvrig er broen bygget i fagverk er bygget i fagverk. Ståldrager Hovedkonstruksjon Mange broer er bygget i fagverk. Det gjør at broens egenvekt er liten i forhold til styrken. Dette er særlig viktig hvis broen skal tåle stor belastning f eks jernbanebroer. Fagverk kan brukes både som bjelker og buer. Bygging av fagverk er imidlertid meget arbeidskrevende så broene blir dyre. Det brukes i mindre grad i moderne broer. 34

35 Skråstagbro Viftestag Harpestag Figuren under viser dekomponering av kreftene i en skråstagbro Kraft fra stag på tårnet gir press i tårnets lengderetning Kreftene som holder veibanen oppe går på skrå langs stagene. Komponentene langs brobanen gir press på langs av denne mens komponentene vinkelrett på veibanen bærer vekten. Derfor må tårnene på en skråstagbro være høyere enn på en hengebro. 35

36 Skråstagbro mellom bratte fjellsider Den nye broen i Bamble kommune er laget etter skråstagprinsippet med ett tårn. Det er bratte fjellsider på begge sider av broen så veien er lagt i tunnel. Stagene er forankret i fjellet på den ene siden Broen ligger høyt over vannflaten slik at skipsfarten ikke hindres. 36

37 Skråstagbro Skråstagbro med en skrå pylon. Broen er relativt kort og tyngden av pylonen er med på å balansere belastningen på broa. Skråstagbro over Guadalquivir i Sevilla, Spania. 37

38 Skråstagbro kombinert med bjelkebro Pont de Normandie mellom Honfleur og Le Havre, er en slik bro. Hoveddekket 856m og et av de lengste i verden av denne typen. Kabler festet direkte i tårnet Hoveddekk Stagene mellom pylonene bærer hoveddekket. På den andre siden er stagene forankret på tilkjørselsbroen. Tyngden av broen overføres dermed til pylonene og til tilkjørselsbroene. Tilkjørselsbroene er bjelkebroer 38

39 Flytebro Har pontonger som flyter på vannet og holder veibanen oppe. Flytebroer må kunne tåle sidekrefter fra vind strøm og bølger. Dette kan løses ved forankring i bunnen. Over dype fjorder kan man legge broen i bue slik at kreftene tas opp av buen. Flytebro i Curacao Her er pontongene små båter som kan kjøre broen unna så skip kommer forbi 39

40 Broen i Curacao funksjonsprinsipp 40

41 Tre typer broer som kan åpnes for skipsfarten Heisbro Veibanen heises opp for å slippe båter forbi Klaffebro Klaffene vippes opp når skip skal passere Svingbro Brobanen kan svinge når båter skal forbi. 41

42 Noen nyttige og interessante nettsteder Bridge Projects International Database and Galleryof Structures Broer i Norge Danske broer Leonardobroen Illustrasjoner: Microsoft utklippsgalleri (lovlig) Egne tegninger Private foto 42