HiOA; HiT- Bru. Innhold. bilder av bruer

Transkript

1 Innhold bilder av bruer HiOA; HiT- Bru konstruksjonstyper av bruer som funksjon av lengde generelle krav (aspekter) konstruktive betingelser og dokumenthåndtering laster (type last og antakelser) aerodynamiske effekter fra togtrafikk klassifisering av bruer etter bæreevne (EN 15528) et enkelt statisk eksempel korte bruspenn < 4 m og < 5 m skade og reparasjoner; vedlikeholdstiltak europanormer: EN og EN laster på bruer; strekningsklassifisering oppgavetrening 1

2 Bilder Kylling bru på Raumabanen i Romsdalen (steinhvelvbru) Byggeperiode: 9 år ( ) Total lengde: 76m Største bruspenn: 42m Brua ligger i en kurve (fra en dalside over juvet til den andre dalsiden) Stein til å bygge brua er hentet fra fjellet og er granitt NSB benytter ofte denne brua i reklameøyemed og da med et tog på brua 2

3 Stuguflåtbrua (Raumabanen) Veterantoget benyttes i turisttrafikk om sommeren To kommersielle turistbaner: -Flåmsbana -Raumabanen En annen interessant bane: - Ofotbanen med Nordalsbruene 3

4 3a

5 Minnesund Brua ble bygd i 1879 og er ennå i drift ved den sørlige enden av Mjøsa og i overgang til Vorma (elv), men vil bli erstattet av ny bru Stålkonstruksjon, sandblåst sist for noen år tilbake; 3 somrer Strenge krav for å unngå forurensing Lengde er 362 m og midtspennet har lengde på 82 m I 1925 ble det bygd vei på brua med kjørefelt lagt på konsoller på begge sider I 1959 ble det bygget egen vegbru 4

6 Minnesund bru Stålkonstruksjon av understellet 5

7 Bru over Gjerstadelva,Trollelva; Sørlandsbanen I jernbanens historie ble det av NSB sine bruingeniører konstruert og bygget mange spennende bruer, også reint arkitektonisk, i tillegg til statikk 6

8 Hølendalen bruer (Østfoldbanen) Moderne brukonstruksjon i spennbetong; oppspent armering 7

9 Jernbanebruer i Norge Strømsøløpet Drammensbanen Stål m Strømsøløpet Drammensbanen Stål m dobbeltspor fra Lierstranda til Drammen stasjon Fetsund bru over Glomma Stål m Hølendalen bru Østfoldbanen Bet m Bru over Bremsa Vestfoldbanen Bet m Minnesund bru Dovrebanen Stål m Bru Begna Hønefoss Roa Stein m Kylling bru Raumabanen Stein m Flere bruer med store og middels store spennvidder Men også små bruer for elver, bekker med mer Kulverter som tjener som undergang for fotgjengere Utviklingstrend mht. materialer: hvelvbruer i stein og bruer i tremateriale; stålbruer; betongbruer (slakk- og spennarmerte konstruksjoner) 8

10 Betongkonstruksjoner HiOA; HiT- Bru Bruspennets lengde bestemmer utformingen av tverrsnittet Oppnå maksimal utnyttelse av materialene (betong, stål) Platebru for et spor og to spor Lengder: 2m 10m Massiv betongkonstruksjon i plate for korte spennvidder; opphøyet kant for å få ballasten på plass; har en viss bjelkevirkning Kanalkasse for div. installasjoner Skinner Betongsville(r) Pukk (sikrer god sporkvalitet i overgangssone for sporet i terreng og bru) 9

11 Betongkonstruksjoner Traubru traubunn skal ha bredde lik 4,4m plass til ballastrenseverket for rensing av nedknust pukk lengder: 10m og 25m Konstruksjon utformet med traubunn Fylt med pukk i traubrunnen Pukk, sville og skinner Kanaler for tekniske installasjoner Konstruktiv utforming: -de to opphøyede kantene har bjelkevirkning - høyde fra traubunn til overkant skinne > 75 cm - plate mellom bjelkene 10

12 Betongkonstruksjoner Bru med en bjelke lengder 10m 25m; 25m 40 m Bru med to bjelker lengder 25m 40m skinner m/befestigelse sville pukk Bjelkene gir stort treghetsmoment og dermed oppnås større bruspenn - for de minste spennvidder: slakkarmerte konstruksjoner - for de største spennvidder: spennarmerte konstruksjoner 11

13 Betongkonstruksjoner Kassetverrsnitt for store lengder (40m 200m) skinner m/ befestigelse sville pukk kanaler for tekniske installasjoner Kassetverrsnitt gir stort treghetsmoment Hulrom i kassetverrsnittet gir vektbesparelse Stor steghøyde som gir stort treghetsmoment og bæreevne Spennarmerte konstruksjoner Store bruspenn oppnås: 128m (Hølendalen bruer) 12

14 Samvirkekonstruksjoner Stålplatebærere med betongdekke Skinner m/ befestigelse Sville Pukk Stålbjelker m/ kryssavstivning og stålplater i steget Lengder: 25m 40m Skinner m/ befestigelse Sville Pukk Stålplater i bjelkenes stegområder og i u.k. plate for avstivning og bæreevne Lengder: 30m 50m 13

15 Samvirkekonstruksjoner Stålkassebærer med betongdekke Lengder: 40m 80m 14

16 Generelle aspekter rekkverk påkrevd HiOA; HiT- Bru Rekkverkstendere skal være varmeforsinket Maksimal avstand mellom stendere: 2,00m Stolpeutsparingene gjenstøpes med ekspanderende mørtel Kontaktledningsstolpene plasseres på konsoller på utsiden av rekkverket 15

17 Generelle aspekter HiOA; HiT- Bru Større pukkhøyde for høyere hastighet da dette gir god sporkvalitet Avstand fra skinnetopp til brudekket: h 750 mm for V 220 km/h h 800 mm for V > 220 km/h (sporføringstekniske aspekter) Avstand fra senterlinje spor til innside rekkverk eller støyskjerm: for 100 km/h: 3100 mm for 100 km/h til 200 km/h: 3300 mm for 200 km/h til 300 km/h: 3500 mm (kontroll over aerodynamiske effekter) Ballastrenseverket krever en minste total bredde på 4,40 m 16

18 Betongkulvert med spennvidde opp til 4m Konstruksjon som benyttes for å erstatte lokale planoverganger: - består av to like prefabrikerte halvdeler (to halvvegger og en plate) som settes sammen iht. løsning vist i detalj A -muliggjør hurtig montering -lysåpning (høyde) = 4000mm -bredde = 4000mm - overgangsplater - helning 1 : 5 og lengde ca. 3,5m (utjevner forskjeller i elastisiteten i sporet) 17

19 Konstruksjoner som ikke bygges mer Tresviller lagt direkte på ståldragere; eventuelt med et tynt mellomlegg (mange bruer av denne type på Sørlandsbanen) Eldre konstruksjoner: Tresviller lagt direkte på stålbjelker (er ikke lenger aktuelt) Årsaker: økt hastighet krever strengere krav til et godt justert spor - da bør sporet ligge i gjennomgående ballast - stålbruer avgir betydelig støy da konstruksjonen blir satt i svingninger 18

20 Konstruksjoner som ikke bygges mer Steinhvelvbruer Steinhvelvsbruene er sterke og solide konstruksjoner Regnes for å være estetisk og arkitektonisk flotte konstruksjoner 19

21 Konstruktive betingelser utforming av landkaret som er opplegget for bruene Landkaret består som regel av: -frontmur -to vingemurer for økt stabilitet -frontmuren har en opplageravsats -bak opplageravsatsen en finnes bakmur -vingemurene avsluttes øverst med kantstein som skal holde ballasten på plass -er det god byggegrunn, kan landkaret fundamenteres direkte, gjerne med en betongplate -dårlig grunn kan medføre pæling 20

22 Dokumenthåndtering; verifisering (alvorlig sak å konstruere en bru) det stilles meget strenge krav til utførelse av beregninger med mer krav om godkjenning av utførte statiske beregninger av nøytral 3. part prinsippskisse som viser et statisk system (flere mulgheter) i prinsippet enkle statisk bestemte systemer (bjelker med ett eller to spenn med felles midtpillar) alle belastningstilfeller som er dimensjonerende, skal dokumenteres Det viste systemet er en gang statisk ubestemt Simulert baserte beregninger: må dokumenteres at simuleringsprogrammet virkelig inneholder de prosedyrer som behøves for beregning (konstruktøren må kjenne programmet) et krav om pålitelighet simuleringsberegninger (EDB) skal behørig dokumenteres og verifiseres inngående data som benyttes, skal skrives ut av programmet utgående data skal inneholde alle relevante informasjoner for utførelse vedr. tegninger: nøyaktig og oversiktlig målsetting nøyaktig beskrivelse av beliggenhet for armering 21

23 Laster meget viktig å bestemme lasttilfellene laster som opptrer på bruer i normal trafikk: vertikale laster (defineres i lastmodell 71 som i utgangspunktet er statisk) vind dynamiske effekter (ved framføring av tog) opptrer på grunn ujevnheter i sporet (bølgefeil med amplitude, rifler på skinnehodet, hjulslag) sentrifugalkrefter (i kurver) slingrekrefter (instabilitet ved togframføring) akselerasjons- og bremsekrefter aerodynamiske effekter fra passerende tog (trykk og sug) støyskjermer, beskyttende tak, møtende tog ved dobbelt spor ulykkeslaster er også definert effekt av avsporing nedfalling av åk og kontaktledning lastfaktorer defineres: i ulike tilstander for de forskjellige lastene mht. de dynamiske effektene beskriver regelverket omfattende prosedyrer for bestemmelse av størrelsen på de dynamiske faktorer for de ulike lasttilfellene 22

24 Laster HiOA; HiT- Bru lastmodell 71: vertikal last (konservativ og allmenngyldig) For lokomotiv er normal avstand mellom hjulakslene > 1,60 m I lastmodellen representerer enkeltlastene: hjulakslene fra lokomotiv linjelastene: vognlast som antas jevnt fordelt Lastmodellen har en viss utstrekning: - lastmodellen skal plasseres i ugunstigste stilling på brua - dersom det blir ugunstigere, kan modellen avkortes eller deles opp - lastmodellen definerer såkalt karakteristiske laster som kan multipliseres opp med koeffisienter dersom nødvendig, dette har sammenheng med at tyngre laster fra tunge tog kan forekomme 23 - Også mulig å definere lastmodell ut fra spesiell togtype (STADLER Flirt)

25 Laster lastmodell SW (gjelder for svært tunge laster) q vk = 150 kn/m a = 25,0m; c = 7,0m transport av transformatorer og stridsvogner til Forsvaret framføring med lave hastigheter (kryphastighet) 24

26 Laster lastmodell 71 (representerer normal trafikk på hovedbanene) tar hensyn til eksentrisitet av vertikale laster Mulig opptreden av sideforskyvning av vertikal last skal vurderes: - gods som sideforskyves - passasjerer sitter overveiende på den ene siden av vognen for å se på utsikten (Flåmsbana) e ca. 85 mm 25

27 Laster langsgående fordeling av last gjennom skinne hjullasten fordeles over 3 sviller i lengderetning I alle fall når svillene er opplagret i ballast fordeling i 1 : 4 i ballastlaget (på grunn av pukklaget) hensyntagen til sentrifugalkraft i kurve gir skjev lastfordeling i bredde 26

28 Vindlaster Vind på konstruksjoner som bærer jernbanetrafikk: -vinden skal ha like lang lengde som togets lengde -høyde over skinnetopp er 4,0m -vindtrykk på 2,0 kn/m 2 27

29 Laster dynamiske effekter (faktorer for dynamisk oppførsel): brukonstruksjonens egenfrekvens spennvidde til brukonstruksjonen konstruksjonens bygningsmasse demping i konstruksjonen hvordan dekkplatene er understøttet vertikale ujevnheter i sporet (bølgefeil), rifler og bølger på skinnehodet kjørehastighet på brukonstruksjonen ujevnheter på hjulene (hjulslag) akselavstand de dynamiske faktorene tar hensyn til den dynamiske økning av spenninger på komponentene og til vibrerende effekter i brukonstruksjonen men tar ikke hensyn til resonanseffekten 28

30 Laster, egenfrekvenser grenseverdier for egenfrekvenser som funksjon av teoretisk spennvidde L (ikke resonans) Laster multipliseres opp med faktorer De dynamiske faktorene som er definert, gjelder ved: -V 220 km/h - tillatt egenfrekvens er i definert område gitt i figur - jo større spennviddene er, jo lavere frekvenser i definert område - øvre grense på grunn av ujevnheter i sporet for n 0 : n 0, ,76L nedre grense på grunn av støtbelastning for n 0 : n 0 = 80/L for 4m L 20m for spennvidder 20 m < L < 100 m gjelder: n 0, ,58L Egenfrekvensene er relatert til nedbøyningen av konstruksjonen: n Hz 17, /

31 Grenseverdier for bruenes naturlige frekvens n0 (Hz) som funksjon av spennvidde L Masse av bru har betydning: - Stor masse: kg/m - Medium masse: < kg/m - Lav masse: < 8000 kg/m - Meget lav masse:< 3000 kg/m Egenskaper mht. demping vurderes og angis i %: 1,5 2,6 Bruenes akselerasjoner beregnes 30

32 Laster veiledning om langsgående krefter (det må vurderes): trekkraft og bremsekraft av tog termiske effekter deformasjon av konstruksjonen på grunn av vertikale laster svinn og kryp i konstruksjonen konstruksjonene kan overveiende klassifiseres iht.: enkelt spenn eller kontinuerlige spenn med et fast lager i den ene ende kontinuerlig konstruksjon der de faste lagrene ikke er lokalisert i ende flere fritt opplagte spenn etter hverandre konstruksjonene må kunne ta opp de langsgående kreftene 31

33 Aerodynamiske effekter fra togtrafikk plane vertikale overflater parallelt langs sporet (skjerm) passerende togtrafikk utsetter konstruksjonen for vandrebølge av vekslende trykk og sug (støyskjerm) Størrelse på lasten som funksjon av: -kvadratet av togets hastighet -togets aerodynamiske form -brukonstruksjonens form -avstand til støyskjerm 32

34 Aerodynamiske effekter fra togtrafikk plane horisontale overflater over sporet overliggende beskyttende konstruksjoner Vandrebølge av vekslende trykk og sug Lasten avhenger av: -kvadratet av togets hastighet - togets aerodynamiske form -posisjon (avstand i høyde fra sporet) Lignende vurderinger for plattformtak (takene ligger ikke direkte over sporet 33

35 Ulykkeslaster avsporing på bruer (2 tilfeller vurderes) lokomotiv eller godsvogn står i sporområdet etter avsporing lokomotiv eller godsvogn balanserer på kanten av brua I sporområdet etter avsporing: -materiellet er i skjevstilling -q A1d = 50 kn/m -lengde = 6,40m (godsvogner) Balanserer på kant av bru: -materiellet er parallelt med bru -q A2d = 80 kn/m Lastfordeling beregnes over: -lengde = 20m (vogner med større lengder); det kan være flere vogner 34

36 Rotasjon ved enden av dekket for spor med ballast: Krav om tillatte maks verdier av vinkelrotasjon ved opplagrene av brua Brukonstruksjon med fast og bevegelig lager Lagrene er anordnet med krumme kontaktflater Bærerne kan bøye seg ned uten å hvile på skarpe kanter i lageret 35

37 Bruprotokollskisse i et kartotek eksempel Når brua er godkjent, utferdiges en bruprotokollskisse med relevant informasjon: -bygningsmateriale, ferdigbygget, antall spor og spennvidder, kurveradius, stigning og fall, fri høyde i undergang, lastmodell (71), avstand mellom rekkverk, aksellast 36

38 Klassifisering av bruer (aksellast definert opp til 25 tonn) EN klassifiserer bruenes bæreevne gir informasjon til fraktoperatører hvilken last en bru kan tåle I Norge: D2 (22,5 tonn aksellast; p = 6,4 t/m; akselavstand a = 1,80 m) Ofotbanen er ikke klassifisert i EN fordi P = 30,0 tonn 37

39 Situasjonen i Norge HiOA; HiT- Bru Kart over maks. aksellast og hastighet for godstog i Norge: -på hovedlinjene: 22,5 tonn -Ofotbanen: 30,0 tonn -små sidebaner: 18,0 20,5 tonn -hastighetsvariasjoner: 30km/h 90/100 km/h Gardermobanen er ikke med: - Normalt ikke godstrafikk - Unntak: - Drivstoff til flyene fra Jessheim Sør til Gardermoen 38

40 Aksellaster og metervekter for bruer 39

41 maks aksellast. sum P/L P/a P/b 40

42 Kontroll av lokomotiv EURO 4000 et 6 akslet lokomotiv til CargoNet (klassifisering i D2) P / a 11,67 11,00 Lengde L = 23m; avstand mellom akslene a = 1,8m; avstand fra ytre aksel til buffer b = ca. 1,9 m; aksellast P = 20,5 tonn < 22,5 tonn Kan lokomotivet tillates framført? P/ b P / L 620,5/ 23 5,35 6,6 20,5/1,9 10,8 10,0 P/ a 20,5/1,80 11,4 11,0 Egentlig for tungt i klasse D2, men er et dieselelektrisk lokomotiv; det er lagt begrensninger mht. drivstoff i tanken, dermed tillatt 41

43 HiOA; HiT- Bru Statikk for korte bruspenn Forberedelse til øving a P L B M A 0 L a P B L b P A L ab P b L a P b B M 1 b L P L B M b L P L L a P M b L a P M b b a a P M b P M

44 Forhold for korte bruspenn, del 1 To-akslet vogn med lengde a > 4,0 m mellom akslene; bruspenn L = 4,0 m bare en aksel med masse m = kg plassert midt på brua; akselkraft = 250 kn M 1 4 PL ,0 250 knm 4 Boggi med 2 aksler; a = 1,80 m; L = 4,0 m; b =0,20 m Akselkraft = 225 kn; begge akslene på brua 1 M 2254, M P L P Indikerer at det er mulig å øke aksellasten på bruer på moment dersom: -bruer med spennvidde < 4 m forsterkes moderat -akselkonfigurasjonen i boggier endres mot større avstand (lite aktuelt?) - øke avstand fra ytterste aksel til vogn/bufferende b , ,5 247,5 knm 2 43

45 M To-akslet vogn: Aksellast = kg Spennvidde L = 5,0 m Akselavstand > spennvidde Beregne feltmomentet 1 P L Vogn med boggi: Aksellast = kg Akselavstand = 1,80 m b = 0,70 m Begge aksler på brua som vist Spennvidde L = 5,0 m Beregne feltmomentet Kommentere resultatet! M 2 P 1 2 b M 1 P L

46 Øvingsoppgave 1 HiOA; HiT- Bru To-akslet vogn; avstand mellom akslene > 5 m; bare en aksel på brua, spennvidde L = 5,0 m; P = 250 kn Boggi med 2 aksler; a = 1,80 m; L = 5,0 m Akselkraft = 225 kn; begge aksler på brua M ,0 312,5 knm 4 M , ,70 360,25 knm 2 For bruer med spennvidde > 5,0 m: Forutsetning for betraktningene: -aksellast kan økes opp til 250 kn - bare en aksel på brua for 250 kn dersom stor nok avstand mellom akslene, - begrensning i spennvidde dvs. bare en aksel på brua 45

47 Forhold for korte bruspenn For de nye tømmervognene til CargoNet: -avstand mellom midtakslene > 4,0 m -250 kn aksellast er o.k. for bruer > 4,0 m; opptil ca. 5,0 m 2 kriterier for 25 tonn aksellast for to-akslede vogner på bruer med korte spenn (ca. > 4,00 m): - Avstand mellom akslene for vogna > bruspennet - Avstand mellom akslene for nabovogner > bruspennet eller bare last på annen hver vogn 46

48 Forhold for korte bruspenn Andre parametere skjærkrefter Q A Q B 1 P 1 2 Q A 1 2 P 1 b P2 L Q B 1 2 P 1 b P2 L 47

49 6 akslet Totalvekt: 132 tonn Total lengde L = 22,565 m Akselavstand a = 2,10 m Avstand fra ytterste aksel til buffer b = 2,71 m Klassifiseres i D2: P 22, 5 tonn P 6,6 tonn / m L P 11,00 tonn / m a P 10,0 tonn / m b 48

50 132 P 22,0 tonn 22, 5 tonn 6 P L ,565 5,85 tonn / m 6,60 tonn / m P a P b 22,0 10,48 tonn / m 11,00 tonn / m 2,10 22,0 8,10 tonn / m 10,0 tonn / m 2,71 Kan godkjennes for framføring på bruer 49

51 50

52 51

53 Vedlikehold av bruer: Brudel Skade Vedlikehold Stålbjelker Korrosjon Sandblåsing og maling: Minnesundbrua; 3 år Stålbjelker Sprekkdannelser Utskiftning av ståldeler Betong og mur Sprekker og riss Overflatebehandling, påstøp Fundament Ute av stilling Oppjekking av bru og justering Fundament Erosjon Steinsetting; understøp Bevegelige Skitt, forurensning Rengjøring av lagrene brulagre I armerte betongkonstruksjoner settes strenge krav til: overdekning av armering og spenntau nok armering for å hindre rissdannelse 52

54 Konklusjoner Bruene utgjør en meget viktig del av jernbanens infrastruktur i Norge topografiske forhold Utvikling i konstruktiv og statisk henseende steinhvelvbruer tre- og stålkonstruksjoner betongkonstruksjoner med utforming av optimale tverrsnitt som funksjon spennvidde slakkarmerte konstruksjoner spennarmerte konstruksjoner for store spennvidder Strenge krav til dokumentasjon ved utarbeidelse 53