KOIGEN STUPEANLEGG HAMAR

Transkript

1 Byggherre: Hamar Kommune KOIGEN STUPEANLEGG HAMAR

2 RAPPORT Rapport nr.: Oppdrag nr.: Dato: Kunde: Hamar kommune Koigen Stupeanlegg Konstruksjonsberegning Sammendrag: Flytelegemet på Koigen stupetårn består av to flytebrygger med mål LxBxH = 12x3,5x1,6. Stupetårnet er fastholdt i horisontal retning ved hjelp av 3 utstøpte stålrørspeler innspent i fjell. Stålrørene har en lengde på 10m fra fjell til fastholdingsklave ved høyeste regulerte vannstand og har en innboringslengde på kun 1500 mm. Komplett stupetårn veier nærmere 90 tonn. Ved kraftig vind og store bølger på Mjøsa gir dette store krefter på forankringer fra peler til flytebrygge. På grunn av konstruksjonens store vekt er det viktig at forankringene ikke henger seg opp på pelene og gir vertikale krefter. Det er derfor valgt å bruke klaver med stålruller for minimal friksjon og dermed små vertikale krefter. Det er lagt inn PUR dempere mellom klave og bærearmer for å dempe slagvirkning av trykk/strekk krefter. Bølgelaster bør baseres på en bølgehøyde på 2,7m og bølgelengde 26m. Dette gir en horisontalkraft på 80 kn pr pel. Nye klaver, bærearmer og dekkfester er dimensjonert for å ha tilstrekkelig sikkerhet mot disse laster Til kontroll OAa Rev. Dato Revisjonen gjelder Sign. Utarbeidet av: Sign.: Olav Aakre / Halvor Lindalen Kontrollert av: Torbjørn Valnes Oppdragsansvarlig / avd.: Torstein Evensen/ Bygg og konstruksjoner Sign.: Oppdragsleder / avd.: Olav Aakre/ Bygg og konstruksjoner RAPPORT

3 Innhold 1. Orientering Konstruksjon Historikk og designfilosofi Kontroll og kvalitet Konsekvensklasse Pålitelighetsklasse Kvalitetssikring Stålkvalitet Referanser Standarder og rapporter Laster Egenvekter Nyttelaster Snølast Vannstand i Mjøsa Dybder Bølgelaster Islaster Laster fra bru Beregninger Bølger og stabilitet Flytehøyde/oppdrift Stabilitet/krengning Flyter og stålrørspeler Stålrørspeler Flytebrygge Dimensjonering av stål Klaver Ribber for hjul Stiver-ringer Avstivning i horisontalplanet Boltelager Ø Kontroll av innvendig stålrør for torsjonsledd Kontroll av stålrør for avstivning i horisontalplanet Feste til dekket med HEA160 og stålplater Avstivning i vertikalplanet

4 6. Vedlegg Vedlegg A Beregning av laster Vedlegg B Beregning av flyteevne og stabilitet Vedlegg C Beregning av peler og flytebrygger Vedlegg D Dimensjonering av stål

5 Side: Orientering Prosjekt: Byggherre: Koigen stupeanlegg, Hamar Hamar kommune 1.1. Konstruksjon Flytebrygger Flytelegemet på Koigen stupetårn består av to flytebrygger med mål LxBxH = 12x3,5x1,6. Bryggene er skrudd sammen med 6 stålstag med diameter Ø30, slik at total bredde blir 2x3,5 = 7m. Areal flytelegeme er 71,4m 2. For å skape en oval form er alle hjørner avtrappet. Flytebryggene er produsert på tradisjonelt vis uten bunnplate og med isopor innvendig. Det finnes tre tverrvegger i betong med tykkelse 80 mm der de 6 stålstagene er montert. Ytterveggene har en tykkelse 80 mm og topp-platen er 100 mm tykk. Samlet sett blir dette en lite robust flytekonstruksjon sett i sammenheng med hvilke laster den skal oppta. For videre detaljer på flytebryggene vises til tegninger fra Rixø-Bryggan.

6 Side: 1.2 Stålrørspeler Stupetårnet er fastholdt i horisontal retning ved hjelp av 3 utstøpte stålrørspeler innspent i fjell. Stålrørene har en lengde på 10m fra fjell til fastholdingsklave ved høyeste regulerte vannstand. Stålrørene har diameter Ø508, tykkelse 14,2 mm og er armert med 12 stk Ø25. Stålrørspelene har en innboringslenge på kun 1500 mm. Klaver og bærearmer Opprinnelig var det prosjektert med stålrammer i UNP240 profiler for feste av flyter til stålrørspeler. Disse var montert uten distanseklosser og gli-lett foringer. Dette medførte en del vandring og slag inne i gaffelfestene når bølgene kom og senere brudd i konstruksjonen. For å få en mer robust løsning er det valgt å bruke klaver med 6 massive stålhjul, momentfri forbindelse om to akser og innfesting via tre bærearmer til dekket på flytebryggen. Stålbru til badebrygge Brua er beregnet i en egen rapport. Spennvidden er 18 m og nyttelast på brua er 5 kn/m 2. Stupetårnet vil bevege seg horisontalt, vertikalt og krengning. Brua må derfor kunne rotere fritt horisontalt, vertikalt og torsjonsmessig på landsiden. Ute på flyteren må en kunne ta opp bevegelse i lengderetning Historikk og designfilosofi Historikk Opprinnelig forslag til forankring av flytepontonger, dersom vi ser bort fra den aller første løsningen med 3 stk. søyler gjennom flytebryggen hvor det følgelig ikke var forankring med kjetting/tau, bestod av kjetting-/tauforankring ut fra bryggens fire hjørner. Dette ble i samråd med Hamar kommune forlatt grunnet fare for at de badende kunne komme i skade for å hoppe på forankringskjettingen/-tauene. Videre gikk heller ikke Rixø-bryggan god for denne løsningen når de fikk opplyst at det er hele 3,61m forskjell mellom høyeste og laveste regulerte vannstand i Mjøsa. Badeanlegget var først tenkt utstyrt med bobleanlegg men denne løsningen ble også forkastet grunnen sikkerhet da det går skiløype tett inntil anlegget og at bryggen også skal

7 Side: 1.3 kunne brukes til arrangementer vinterstid. Det var derfor ikke forenelig med åpent vann rundt bryggen. Løsningen med bobleanlegg er også omstridt da det er vanskelig å holde det isfritt i ferskvann og på så grunt vann. Designfilosofi Komplett stupetårn veier nærmere 90 tonn. Ved kraftig vind og store bølger på Mjøsa gir dette store krefter på forankringer fra peler til flytebrygge. M36 forankringshylser fra Rixø bryggan plassert i sideveggene på bryggene ble brukt som feste på opprinnelig konstruksjon. Ved nærmere kontroll av plassering på disse ble det klart at flere av hylsene bare var innstøpt i isopor. I tillegg vil det være slik at innerhjørner (på grunn av avtrapping) vil være svake mot horisontale krefter når konstruksjonen er uten bunnplate. På grunn av konstruksjonens store vekt er det viktig at forankringene ikke henger seg opp på pelene og gir vertikale krefter. Det er derfor valgt å bruke klaver med stålruller for minimal friksjon og dermed små vertikale krefter. Klavene er lagt i høyde med betongdekket på flyteren (for å unngå eksentrisitet og moment) som er det beste stedet å oppta horisontale bølgekrefter. Det er lagt inn PUR dempere mellom klave og bærearmer for å dempe slagvirkning av trykk/strekk krefter. Stupetårnet vil kunne bevege seg vertikalt, horisontalt og kunne rotere om horisontale akser. For å unngå tvangskrefter på klavene er det lagt inn et horisontalt boltelager og et torsjonslager, se figur under.

8 Side: Kontroll og kvalitet Konsekvensklasse Valgt klasse: CC Pålitelighetsklasse Valgt klasse: RC Kvalitetssikring Det utføres uavhengig 3. partsverifikasjon av prosjekteringen. Prosjektering og sidemannskontroll av stupetårn utføres av Sweco Stålkvalitet HEA160: S 355 J2 UNP 120: S 355 J2 Plater: S 355 J2 Rør Ø101,6 x 8mm S355 J2H

9 Side: 1.5 Rør Ø139,7 x 8mm Rør Ø323,9 x 14mm Rør Ø355,6 x 14mm Rør Ø610 x 10mm S355 J2H S355 J2H S355 J2H S355 J2H

10 Side: Referanser 2.1. Standarder og rapporter [1] Statens vegvesen. Håndbok185, Prosjekteringsregler for bruer. Vegdirektoratet mars 1996 inkludert Rettelser, endringer og tillegg til 1. utgaven (1995) Versjon [2] NS-EN 1990:2002+NA:2008, Grunnlag for prosjektering av konstruksjoner. [3] NS-EN :2002+NA:2008, Laster på konstruksjoner. [4] NS-EN :2004+NA:2008, Prosjektering av betongkonstruksjoner. [5] NS-EN :2005+NA:2008, Prosjektering av stålkonstruksjoner. [6] rapport1 Geoteknisk rapport grunnundersøkelser. [7] Beregning av stålbru, Sweco. [8] Beregning av pir, Sweco.

11 Side: Laster 3.1. Egenvekter Flytepontonger 2stk a 31000kg= Stålskjellet Stupetårn Gangbru 2727x0,5= Galvanisering stålskjelett 6-10% 7950x0,8= Isopor vannopptak Stålforankringer Treverk flytebrygge Ballastering flytebrygge Totalt uten nyttelast kg 6613 kg 1607 kg 1870 kg 636 kg 5500 kg 4454 kg 6000 kg 4200 kg kg 3.2. Nyttelaster Flytepontonger/Badebrygge: Det er forutsatt 300mm fribord til betongkant for egenlast av badebrygge inkl. last fra innfestingsklaver og gangbru i stål. Nyttelast på badebrygge er 2,0kN/m². Det er forutsatt at 100 personer kan oppholde seg på amfiet, samtidig som broen er full av personer. På nedre trinn amfi kan det være totalt 50 personer før topp pontong kommer ned til vannflate Snølast Snølast på mark på Hamar er 3,5 kn/m². For bruk på konstruksjonene ved badeanlegget gjelder formfaktor 0,8 som gir lasten 2,8 kn/m² Vannstand i Mjøsa Laveste regulerte vannstand LRV: +119,33 Høyesteregulerte vannstand HRV: +122,94 Normalvannstand sommer: +122,8 Dimensjonerende flomvannstand: 100 års flom +125,78

12 Side: Dybder Fjellnivå, kotehøyde: +113,5 Sjøbunnivå, kotehøyde: +117,5 (det vil si 4m med dynn) 3.6. Bølgelaster Det finnes lite meteorologiske data, bølgehøyden er vurdert ut i fra ulike forhold, data og erfaringer. I utgangspunktet ble det satt opp en beregning av laster basert på en bølgehøyde på 3,6m og bølgelengde 10m. Dette ga en horisontalkraft på 186 kn pr pel, se side A-1 til A- 11. Dette ble senere revidert til 3,0m bølgehøyde, 10 m bølgelengde og en horisontalkraft på 151 kn, se side A-12 til A-14. Det er denne opplagerkraften (uten lastfaktor) som er brukt ved dimensjonering av peler og fjellfeste. Ved dimensjonering av klaver og bærearmer i kapittel 5 er det valgt å bruke en horisontalkraft pr. pel på 300 kn. Bølgelasten er verifisert av firmaet Tesaker Vann, se side A-15. Konklusjonen herfra er at vi har regnet for kort bølgelengde og for stor bølgehøyde. Laster baseres på «Forskrift for dammer». Effektivt strøk fra sør er regnet til 8,3 km. Dette gir en signifikant bølgehøyde på 1,3 m, periode på 4,1 sek og bølgelengde 26 m ved en vindbelastning på 20 m/s. Maksimal

13 Side: 3.3 bølgehøyde blir dermed: H m = 2,7 m. Dette gir en horisontalkraft på ca 80 kn pr pel, se side A-16 til A-18. Strøk fra vest er betydelig kortere enn fra sør, slik at belastningen blir mindre, se side A-20, Islaster Det var opprinnelig tenkt bobleanlegg rundt ovalen slik at trekledning ikke fryser fast i isen. Dette reduserer lastene fra is betraktelig, dvs. kun drivis/flak kan gi last, men dette er ikke problematisk i bukta ved Koigen. Flytebrygga ligger langt nok fra land slik at isen her ikke vil bryte når Mjøsa tappes og vannstanden synker. Her er isflaten horisontal og følger vannstanden og brygga. Bobleanlegg blir nå ikke benyttet pga. sikkerhet. Statens vegvesens håndbok angir en tidligere brukt islast for Mjøsa på 700 kn/m 2. Slike laster er ikke mulig å oppta med denne flytekonstruksjonen. Vi mener at slike laster ikke er aktuelt på dette stedet Laster fra bru Vertikal opplagerkraft i bruksgrense: Egenlast: 18,7 kn Nyttelast: 78,5 kn Se egen beregning for stålbru og notat side A-19.

14 Side: Beregninger 4.1. Bølger og stabilitet Flytehøyde/oppdrift Det er laget en beregning som illustrerer situasjonen slik stupetårnet ligger i opplag i øyeblikket. Gangbroen, ballast og stålforsterkning er ikke tatt med. I vedlegg side B-1 går det fram at ved å sette summen opptatt vann i isoporen til 6,3% eller 5,5 tonn blir dypgang i senterpunktet T=0,445m. Dette er lik oppmålt dypgang. Vekter av stupetårn, stålskjelett og treverk m.m er plassert i korrekte koordinater, og til slutt viser vi at tårnet vil krenge 151mm mot sørøst (tverrskips). I langskipsretning vil trimmen være ca 11mm. Oppmålinger bekrefter at beregningen stemmer, og vi kan dermed slutte at vårt regneark er korrekt Stabilitet/krengning Når stupetårn ballasteres i water uten nyttelast men med de planlagte forsterkninger og gangbro montert er fribord til overkant betongbrygge beregnet til 298mm. Tilhørende tverrskips krengevinkel er da 4,9 grader og langskips trim 2,8 grader. Dette er vinkler som indikerer når hjørnet av betongbrygga tangerer vannflaten. Se side B-2. Når vi så påfører personlast forandres fribordet og stabilitetsegenskapene. Vi har tatt høyde for dette og tenker oss at all nyttelast plasseres mest mulig ugunstig tverrskips eller langskips. Vedlegg side B-3 viser vi at fullt belastet vil stupetårnet veie 97tonn og fribordet bli 240mm til hjørnet av betongen. Stabiliteten er fortsatt god og 54 personer kan plasseres på langsidene 4,2m fra midtlinjen uten at betonghjørnet går under vann. Vi har ikke tatt hensyn til at innfestingen i stålpelene vil motvirke krengningen. Tilhørende tverrskips krengevinkel er da 3,9 grader og langskips trim 2,3 grader Flyter og stålrørspeler Stålrørspeler Fordeling av bølgekrefter stivhet av peler Stupetårnet er fastholdt i horisontalplanet av tre peler, en på syd-siden og to på nord-siden.

15 Side: 4.2 Den effektive stivheten av pelen er regnet til: EI eff = 1,52E5 knm 2. Dette gir en horisontal forskyvning på 0,38 m ved normalvannstand, se side C-8. Det er da ikke tatt hensyn til slakk i innspenning på grunn av hulrom mellom fjell og pel, se side C-9 og C-10. Fleksibiliteten i pelene gjør det riktig å fordele bølgekreftene med en tredel på hver for vind fra syd, men den søndre pelen må ta halvparten av bølgelastene fra vest. Strøklengden fra vest er så mye mindre enn fra syd at lastene beskrevet i kapittel 3.6 beholdes. Dimensjonering av stålrørspeler Ø508x14,2 stålrørspel er armert med 12 stk Ø25 armeringsjern. Ved dimensjonering for moment ved innspenning er det tatt hensyn til 4mm korrosjonsmonn, se side C-1 til C-8. De ulike delenes bidrag til kapasiteten er: Stålrør: Betong: Armering: Totalt: 999 knm 190 knm 310 knm 1499 knm

16 Side: 4.3 Ved en horisontallast pr pel på 151 kn er pelene helt utnyttet (uten lastfaktor). Dette er likevel OK siden det er lite sannsynlig med mye rust på 10 meters dybde under 4m dynn. I tillegg vil bølgelasten etter Tesaker kunne settes til 80 kn pr. pel. Kontroll av fjellfeste Konseptet med fastholding av stupetårnet bygger på en innspenning i fjell. En Ø508 stålrørspel burde vært boret adskillig lenger inn i fjell for å oppnå dette, særlig siden fjellet ikke er det beste. Hulrommet i sidene mellom pel og fjell burde vært utstøpt. Pelene er allerede installert og ligger under 4 meter dynn, så det vil være vanskelig å forsterke festet. Vi har regnet på dette med en horisontalkraft på 151 kn og fått dette verifisert av ingeniørgeolog, se side C-9 og C-10. Vi mener dermed at fjellfeste holder Flytebrygge Stupetårnet har et flytelegeme av to flytebrygger som nevnt i kapittel 1.1. Rixø-bryggan har leveransen og ansvaret for disse. Vi har likevel gjort noen grove overslag for å kontrollere kapasiteten. Ved kort bølgelengde og store bølger vil en kunne få en momentpåkjenning over skjøten i størrelsesorden 580 knm. De nedre tre koblings-stag Ø30 vil dermed få en spenning på over 200 N/mm 2, se side C-11. Disse bør forspennes. Moment med strekk i overkant vil ikke være noe problem fordi det her ligger mange HEA120 bjelker. I lengderetning ligger det 3 ekstra Ø16 armeringsjern i fire langvegger: As = 4x3x201 = 2412 mm 2 som vil være tilstrekkelig.

17 Side: Dimensjonering av stål 5.1. Klaver Øvre ring Midtre stiver-ringer Ribber for hjul Nedre ring PE-rør mot is Ribber for hjul Regner med at all horisontallast (300 kn) kan belaste ett hjulpar. Opptredende spenninger blir 248 N/mm 2 i bøyespenning og 47 N/mm 2 for skjær. Hullkant-trykk og avskjæring for bolt Ø30 er også OK, se side D Stiver-ringer Øvre og nedre ring Opptredende spenninger blir 140 N/mm 2 i bøyespenning og 34 N/mm 2 for skjær. Trykkspenning mellom hjul og stålrør er også OK, se side D-5. Midtre stiver-ring Denne ringen er regnet ved hjelp av elementprogrammet Ansys. Model og påsatte laster side D-8, resultater for normalkraft og moment er vist på side D-10,11. Opptredende spenninger blir 31 N/mm 2 for normalkraft (strekk), 129/308 N/mm 2 (strekk/trykk) i bøyespenning og 75 N/mm 2 for skjær. Dette godtas i og med at påsatt last er 300 kn.

18 Side: 5.2 PE-rør for beskyttelse mot is PE-rør festet til nedre ring virker på to måter. Røret er isolert på innsiden med materiale som har liten fasthet. Isolasjonen vil flytte frysepunktet oppover langs stålrøret fra flytende vann under. Isen vil også få et glatt sjikt mot PE-røret slik at isen slipper lettere ved tapping av Mjøsa Avstivning i horisontalplanet Boltelager Ø60 Torsjonsledd

19 Side: 5.3 Rustfri Ø60 bolt må kunne oppta et kraftpar på 480 kn. Hullkant-trykk og avskjæring for bolt Ø60 er OK, se side D-15, Kontroll av innvendig stålrør for torsjonsledd Kontroll for moment og skjærkraft av innvendig stålrør er gjort på side D-16. Kapasiteten er god. Det er satt inn fire smørenipler for å sikre liten friksjon i torsjonsleddet. Det er satt inn to PUR dempere med stivhet shore 95 for å dempe slag i lengderetning av røret, se side D-17. Dempere har diameter 150mm og tykkelse 75mm. E-modul er 55 N/mm 2. Dersom vi antar en kraft på 180 kn gir dette en spenning på ca. 10,2 N/mm 2. Deformasjon i demper blir dermed = (σ/e) H = (10,2/55) 75 = 14 mm. Dette vil virke gunstig på konstruksjonens holdbarhet Kontroll av stålrør for avstivning i horisontalplanet Rørene med dimensjon Ø140x8 er regnet for knekklengde 2m og en trykk-kraft på 355 kn, se side D-19. Bolteforbindelse Ø40 mellom stålrør og dekkfeste har en utnyttelse på 73 % Feste til dekket med HEA160 og stålplater

20 Side: 5.4 Her er det lagt spesielt vekt på å unngå eksentrisitet og dermed moment/løftekraft inn på betongdekket. Bolteleddet med innføring av horisontalkrefter ligger i flukt med overkant dekke slik at eksentrisiteten bare blir halve dekketykkelsen: e = 50mm. Vertikalt kraftpar for å ta opp denne er 355 knx0,05m/2m = 8,9 kn. Momentet som oppstår ved opptak av skjærkraft i bakre plate tas som moment i bjelken slik at vi slipper å belaste limfugen med dette, se side D-20. All skjærkraft og normalkraft som skal overføres fra bakre plate til dekket regnes overført via limfugen, se side D-21, Ø12 limankre regnes ikke med Avstivning i vertikalplanet M20 Kvalitet 4.6 Maksimalt 70 kn Maksimal kapasitet i vertikalplanet er begrenset av tilgjengelig vertikalkraft som kan etableres inne på flyteren. Tilgjengelig vekt er regnet til 70 kn, se side D-26.

21 Side: 5.5 Det er satt inn en brytebolt M20 i kvalitet 4.6 som skal hindre for store skader inne på flyteren dersom vertikallast fra klaven bli mer enn 70 kn. Nye bølgeberegninger med 2m bølgehøyde og 18m bølgelengde gir maks horisontalkraft pr. pel på 80 kn så dette burde holde.

22 Vedlegg 6.1. Vedlegg A Beregning av laster Beregning av bølgelaster H = 3,6m s 1-11 Beregning av bølgelaster H = 3,0m s Notat fra Tesaker Vann s 15 Beregning av bølgelaster H = 2,0m s Belastning fra stålbru s 19 Oversiktsbilder s 20-22

23 Vedlegg B Beregning av flyteevne og stabilitet Fribord s 1 Flytehøyde og stabilitet uten nyttelast s 2 Flytehøyde og stabilitet med nyttelast s 3 Vekter og tyngdepunkt s 4

24 Vedlegg C Beregning av peler og flytebrygger Kapasitet og stivhet av stålrørspeler s 1-8 Innspenning av stålrørspeler s 9 fra ingeniørgeolog s 10 Kontroll av tverrstag s 11

25 Vedlegg D Dimensjonering av stål Ribber for hjul s 1-3 Dimensjonering av øvre og nedre ring s 3-5 Dimensjonering av midtre stiver-ringer s 6-14 Boltelager s PUR-demper s 17 Stålrør for avstivning i horisontalplanet s Feste til dekket med HEA160 og stålplater s Avstivning i vertikalplanet s 26-28