Bøkfjordbrua - Islaster og isdannelser

Transkript

1 Bøkfjordbrua - Islaster og isdannelser Den nye brua vil krysse fjorden rett ved utløpet til Pasvikelva, omtrentlig plassering er gitt i figur 1. Dagens bru er en hengebru der østre fundament ligger på en fylling ut i elva. Fyllingen gir en innsnevring av elveløpet og dermed økt vannhastighet slik at det ikke dannes is under brua i løpet av en normal vinter. Figur 1 Løsmassekart fra NGU. Blå strek markerer ca. plassering av ny bru over Bøkfjorden. Rosa farge indikerer fjell, lys grønn er et tynt morenelag, grå farge er fyllmasser mens blått indikerer marine avsetninger. Marin grense ligger på ca. 85 m.o.h. Den 17. april 2013 utførte Arctic Dive AS målinger av istykkelse i området for dagens og ny bru. Resultatet ble presentert i et notat (ref. 3) og kan sees i figur 2 under. Målingene ble foretatt etter at isen var gått, men gir allikevel en indikasjon på representative istykkelser. Gjennomsnittlig istykkelse var ca. 180 cm med en maksimal tykkelse på 220 cm langs elvebredden ved østre landkar på dagens bru. Langs hele elvekanten / kystlinjen var målt istykkelse vesentlig tykkere enn isen som lå over vann. Dette kan skylles at isen fryser først langs land og at isveksten her ikke i samme grad er influert av varmefluksen fra vannet. Men, det kan også komme av at vi har et område med aktiv isdannelse der isen skyves mot land slik at det dannes pakkis /skruis. Bølger, strøm, og vind fører til at isen skyves mot land der den brekker opp. Blokkene som blir liggende på land fryses så sammen igjen. Istykkelsen ble målt til mellom cm over sjøen. Bilder tatt i mars viser tydelig at vi har et område med aktiv isdannelse, se figur 3 og 4.

2 Figur 2 er laget av Artic Dive AS. Den hvite linjen viser plassering av iskanten på måledagen mens de røde områdene er der SVV ønsket målinger. Tykk blå linje markerer ca. plassering av ny bru mens de oransje ellipsene viser ca. plassering av brusøylene.

3 Figur 3 To bilder tatt fra Hengebrua 2. mars 2013 som begge tydelig viser at det langs land er en sone der isen knekkes opp og blokkene skyves mot land. Bilde til venstre viser en åpen råk. Det er lite snø. Figur 4 Bilde til venstre er tatt i mars 2013 og viser tydelig den tykke isen langs land. De røde pilene markerer isblokker som har blitt skjøvet på land. Bilde til høyre er tatt av Arctic Dive AS under deres ismålinger i april. Med dagens plassering av brua vil denne føre til at brusøylene vil stå i et område der det er stor aktivitet i isen. Dette vil føre til at isen skyves inn mot søylene der den kan knuses, knekkes opp og akkumuleres rundt søylene.

4 Søylene i akse 3 6 ligger bak utstikkeren / odden slik at de blir skjermet fra elvevannet som kommer rett ut i fjorden, men den åpne råken i figur 3 indikerer at det er såpass strømning i vannet at isen ikke har lagt deg. I tillegg til strømmen fra elvevannet vil tidevann og luft temperaturen påvirke isen og iskreftene. Figur 5 viser målt tidevann ved Kirkenes desember Figur 5 er hentet fra kartverkets side sehavnivå.no og viser målt tidevann desember Den blå kurven er observert havnivå, mens den gule kurven er værets virkning på tidevannsbølgen. I Kirkenes ligger Normalnull cm over Middelvann (MSL ). Den gule kurven i figur 5, indikerer at været ikke har hatt stor innvirkning på tidevannsbølgene denne måneden, men tidligere målinger viser at dette varierer. Tidevannet vil påvirke islasten. Et avgjørende moment er om isen fryser fast i konstruksjonen eller ikke. Ved store tidevannsforskjeller er det nærliggende å anta at brusøylene ikke fryser fast. I så fall vil isen virke som en støtlast som følger strøm og vind. Fryser isen fast i brusøylene vil tidevannet føre til påhengslast ved fjære sjø og løftelast ved flo sjø, der løftekraften er ca. det dobbelte av påhengslasten på grunn av oppdrift. I begge tilfeller vil brusøylene bli påvirket av ekspansjonslast. Ekspansjonslast er et resultat av at isen utvider seg ved økt temperatur og tilsvarende krymper igjen når temperaturen faller. Dette kan føre til store horisontale laster på brusøylene. Nærmeste værstasjon fra brua er Kirkenes lufthavn. Figur 6 viser målt temperatur fra august 2012 til juli Figuren indikerer store svingninger i temperaturen slik at brua vil bli påkjent av ekspansjonslaster. Disse vil virke fra iskanten inn mot brusøylene, men også mellom søylene hvis vi har et fast isdekke. Størrelsen avhenger bl.a. av isens styrke og tykkelse samt konstruksjonenes utforming.

5 Figur 2 er hentet fra yr.no og viser at målt temperatur lå under 0 C i ca. 6 måneder. Vi ser også store temperatursvingninger. Isens styrke avhenger av temperatur og hvor raskt den er dannet. Havis er generelt noe svakere enn ferskvannsis da den i tillegg til luft, inneholder lommer av saltvann. Selve isen er fersk da havvannssaltet skilles ut under innfrysingen. Saltinnholdet varierer med temperatur og gjennom isblokken. Når temperaturen faller konsentreres saltløsningen i det lommene reduseres og det salte vannet dreneres ut. Ved 21 C fryser en mettet saltoppløsning og sjøisen oppnår dermed sin fulle styrke. Generelt varierer saltinnholdet i en sjøis mellom 4 og 6 promille, men den er vesentlig lavere, og nesten null i områder med brakkvann. En kan derfor anta ferskvannsis i dette tilfellet. Aktuelle islaster på ny Elvenes bru Bura vil bli påkjent av støtlaster fra is, ekspansjonslaster, samt påhengslast og løftelast hvis brusøylene fryser fast i isen. Målinger av isens tykkelse og temperaturforskjeller, samt at vi kan anta ferskvanns-is indikerer at lastene kan bli svært store og vanskelig å bestemme på forhånd. Brufundamentene er plassert slik at disse delvis ligger på land ved fjære sjø, og i vann ved flo sjø. De vil derfor være et «hinder» for den naturlige isgangen. Det er nærliggende å anta at isen vil pakkes inn mot søylene. Isens bruddmekanisme mot brusøylene er bestemmende for lastens størrelse. Vi skiller mellom 4 ulike bruddmekanismer, knusning (overskrider isens trykkstyrke), bøyning (overskrider isens bøyningsstyrke), kløyving (overskrider isens strekkstyrke) og kryp. Isens bruddmekanisme vil avhenge av faktorer som istykkelse, hastighet på isflak, isens temperatur og ikke minst konstruksjonens geometri. For eksempel vil isknusning vanligvis opptre der isen støter mot en vertikal søyle / pilar mens bøyningsbrudd opptrer der isflak presses mot en skrå front. Kløyving opptrer gjerne i elver der isflak presses mot en slank, spiss konstruksjon. Islasten kan være både statisk og dynamisk. En statisk eller langsomt varierende islast forekommer der en stilleliggende is presses mot en stiv konstruksjon for eksempel en ekspansjonslast mellom to parallelle brusøyler. Når isen preses mot og forbi en vertikal søyle bryter isen mot søylen i rykk tilsvarende takten til dannelsen av bruddplan i isen. Frekvensen

6 vil avhenge av bl.a. tettheten til isen og må sjekkes ut i forhold til konstruksjonens egensvingning. For konstruksjoner i arktiske og sub-arktiske forhold, som Kirkenes er det vanlig å utforme konstruksjonene slik at isen møter en skrå flate, se skisse i figur 7. Figur 7 er hentet fra ISO 19906, Petroleum and natural gas industries Arctic offshore structures. Den skrå flaten vil sørge for at isen brekkes opp inn mot konstruksjonen. Hensikten er å unngå at isen knuses ettersom isens trykkstyrke er vesentlig større enn isens bøyningsstyrke. En skrå flate kan oppnås ved hjelp av en kon eller ved en pyramide. Det er mest vanlig med kon. For å oppnå bøyningsbrudd må vinkelen mellom skråflaten og vannflaten være maksimalt 60. Ettersom ny Elvenes bru ikke krysser Pasvikelva / Bøkfjorden vinkelrett, men på skrå vil utformingen av en kon form bli en markant del av brua. Støtkreftene fra isgangen vil virke ensidig, mens ekspansjonskreftene også vil virke mellom brusøylene. Det at vi ikke kjenner i detalj til hvordan isen oppfører seg gjennom vinteren gjør at det vil være en viss usikkerhet til beregningene av islastene. En vesentlig bedre løsning vil være å fylle i fjorden slik at søylene blir stående på land, og iskreftene blir tatt opp av fyllingen. Dette vil føre til 1. Redusert utsikkerhet vedrørende islast på brua. 2. Vesentlig enklere brusøyler. 3. Reduserte horisontal- og vertikallaster gir en enklere og mye rimeligere pelefundamentering.

7 Figur 8 Prinsipp skisse med fylling. Figur 9 Det grå området markerer ca. området for fylling, mens det blå område kan tilpasses slik at Vasskransen kan trives.

8 Referanser 1. Håndbok 185 Bruprosjektering, Eurokodeutgave ISO Petroleum and gas industries Arctic offshore structures. First edition Rapport: Måling av is tykkelse ved Elvenes bro for Statens veivesen 17. april Artic Dive AS.