Statens vegvesen Notat Til: Fra: Kopi: Jørn Arve Hasselø Kristian Berntsen og Bjørn Isaksen Lidvard Skorpa Saksbehandler/innvalgsnr: Kristian Berntsen - 22073966 Vår dato: 23.12.2010 Vår referanse: 2010/203615-005 Konseptvalgutredning (KVU) for E39 Ålesund-Bergsøya og Bergsøya-Liabø Tekniske løsninger for bruer Dette notatet angir karakteristiske materialmengder for hengebruløsninger for følgende fjordkrysninger: - Julsundet fra Otrøya (1600 m hovedspenn, se tegning K102) - Julsundet fra Gossa (1380 m hovedspenn, se tegning K103) - Halsafjorden (2050 m hovedspenn, se tegning K104) I tillegg gis det en beskrivelse av et forslag til forbindelse fra Otrøya til Gossa (Aukraforbindelsen). Se tegning K101. Innledningsvis presenteres grunnlaget for masseberegningen, og det gis noen overordnete vurderinger og betraktninger. Prinsippskisser av fjordkrysningene er vedlagt. For krysningene med hovedspenn rundt 1500 m, kan Hardangerbrua brukes som grunnlag. For disse krysningene benyttes derfor samme utforming av avstivningsbæreren, som på Hardangerbrua. Den lengste hengebrua i verden med utforming lik Hardangerbrua, er Storebæltbrua i Danmark med et spenn på 1624 m. For hengebruer med denne typen avstivningsbærer, antas det at grensen for spennvidden er i størrelsesordenen 1500-1800 m. En enkel sammenligning av betongmengdene beregnet for Hardangerbrua, Dalsfjordbrua og Langenuen (forprosjektet) gir følgende konklusjoner: - Forholdet mellom betongvolumet i tårn over fundamenter og spennvidde er det samme for Dalsfjordbrua og Hardangerbrua (ca. 8), mens dette forholdet er ca. 25 prosent større på Langenuen (ca. 10). I de videre beregningene av de ulike fjordkryssingene benyttes forholdet 8. - Forholdet mellom betongvolumet i tårnfundamentene og betongvolumet i tårn over fundamenter er ca. 1:2 for Dalsfjordbrua og Langenuen. Dette forholdet er noe mindre for Hardangerbrua. I de videre beregningene benyttes forholdet 1:2. - Forholdet mellom kraft i bærekabel og betongvolumet i bærekabelforankringene er noe større på Langenuen (ca. 0,013) enn for Hardangerbrua (ca 0,010). Dalsfjordbrua er ikke like relevant for sammenligning fordi den ikke har spredesadelfundament. I de Postadresse Telefon: 02030 Kontoradresse Fakturaadresse Statens vegvesen Telefaks: 22 07 37 68 Brynsengfaret 6A Statens vegvesen Vegdirektoratet firmapost@vegvesen.no 0667 OSLO Regnskap Postboks 8142 Dep Båtsfjordveien 18 0033 Oslo Org.nr: 971032081 9815 VADSØ Telefon: 78 94 15 50 Telefaks: 78 95 33 52
2 videre beregningene benyttes forholdet mellom kraft i bærekabel og betongvolumet i bærekabelforankringene lik 0,010. Dimensjon på bærekablene beregnes ut fra spennvidde L og pilhøyde lik L/10; egenlast fra avstivningsbæreren; og trafikklast lik 20 kn/m (9+9+2) pluss punktlaster på 6 x 210 kn. Bærekablene er regnet til å ha en minste bruddspenning på 1770 N/mm 2. Hengestengene er antatt å ha en diameter på 90 mm. Massen av bærekablene og hengestengene er gitt som metallisk masse. Massen på konstruksjonselementer som kabelhoder, hengestangfester, forankringstag etc. er ikke regnet ut. Kostnadene for disse elementene må derfor inkluderes i kostnaden for bærekabler og hengestenger. For krysningen av Halsafjorden med hovedspenn 2050 m, vil ikke en utforming av brutverrsnittet tilsvarende Hardangerbrua gi en aerodynamisk stabil konstruksjon. Forutsetningen for å komme videre, er å benytte en avstivningsbærer med en splittet kasse, der hver av kassene har en masse i størrelse med avstivningsbæreren for Dalsfjordbrua. Plasseringen av bærekablene i brutverrsnittet er på det nåværende tidspunktet ikke fastlagt, men dette har relativt liten betydning for mengdeberegningene. I de videre beregningene er det antatt en masse av avstivningsbæreren som 2 x Dalsfjordbrua pluss et tillegg på 10-25 prosent, som tar hensyn til tverrbærere ved hvert hengestangfeste. Det er i tilegg regnet på et nedre grensetilfelle der slitelaget er erstattet med en tynn membran for å spare vekt. Det er usikkert om dette er et tilstrekkelig og hensiktsmessig tiltak for å få en aerodynamisk stabil konstruksjon. Det mangler altså studier (dynamiske konstruksjonsanalyser) som viser at ovennevnte forutsetning holder. Man vet at bruer med hovedspenn opp mot 2000 m er mulig å bygge verdens lengste hengebru er i dag Akashi-Kaikyo på 1991 m. I Italia er planleggingen av ei hengebru over Messinastredet kommet langt. Denne krysningen får et hovedspenn på 3300 m. Begge disse hengebruene har en størrelse (flere kjørebaner og jernbane) og en kostnad som neppe er relevant i norsk sammenheng. Mengdeberegningen som er rapportert i dette notatet, forutsetter derfor at man klarer å utvikle en aerodynamisk stabil hengebrukonstruksjon som er tilpasset norske forhold, det vil si 2 kjørebaner og g/s-veg. Dette må det tas hensyn til i anslagsprosessen. Det er gjort en overslagsberegning på dimensjoner for et tårn med høyde 385 m (krysning av Bjørnafjorden i KVU E39 Aksdal-Bergen). Betongvolumet i tårn over fundamenter blir beregnet ut i fra en lineær variasjon med hensyn på spennvidde mellom betongvolumet fra Hardangerbrua og bru over Bjørnafjorden. Betongvolum i tårnfundamentene er antatt til halvparten av betongvolum i tårn over fundament. Betongvolum i bærekabelforankringene er skalert med hensyn på kabelkraft fra Hardangerbrua. Størrelsen på bærekablene er beregnet ut i fra spennviddene L og en pilhøyde lik L/10; egenlast som 2 x Dalsfjordbrua pluss 10-25 prosent; og trafikklast lik 22 kn/m (9+9+2+2) pluss punktlaster på 6 x 210 kn. Bærekablene er regnet til å ha en minste bruddspenning på 1860 N/mm 2. Hengestengene er antatt med diameter 90 mm. Massen av bærekablene og hengestengene er gitt som metallisk masse. Massen på konstruksjonselementer som kabelhoder, hengestangfester, forankringstag etc. er ikke regnet ut. Kostnadene for disse elementene må derfor inkluderes i kostnaden for bærekabler og hengestenger. En økning i dimensjonen på avstivningsbæreren fører til en tilnærmet lineær økning i bærekabelkraften.
1. Aukraforbindelsen Denne forbindelsen er 2,93 km og består av i alt 5 krysninger, se tegning K101. Forbindelsen er vist mellom Otrøya og øya Gossa. Krysning nr 1: 250 m med maksimalt 30 m dyp, kan bygges som steinfylling hvis det er tilgjengelige masser. Åpnes for vanngjennomstrømning med korte bruer som pelefundamenteres i fyllinga. Alternativt ei pelefundamentert samvirkebru. Krysning nr 2: 390 m fritt frambygg- eller skråstagsbru fundamentert på ca. 20 m dyp. Dette forutsetter fjell under tårnfundamentet. Krysning nr 3: 200 m med maks 50 m dyp, kan bygges som fritt frambyggbru eller samvirkebru i stål og betong. Krysning nr 4: 100 m med maks 20 m dyp, kan bygges som ei steinfylling. Åpnes for vanngjennomstrømning med kort bru. Krysning nr 5: 720 m med maks dybde 60 m. Kan bygges som ei modifisert fritt frambyggbru med et hovedspenn på 450 m. Denne må da fundamenteres på ca. 30 m dyp. Det forutsettes fundamentering på fjell. Modifiseringen består i at det benyttes korrugerte stålplater i stegene. En eventuell fritt frambyggløsning på krysning 2 og 5 kan kostnadsoptimaliseres noe ved bruk av ballastkasser i sidespenn. Det er ikke gjort noen videre mengdeberegninger av denne forbindelsen i dette notatet. Det anbefales at relevante løpemeterpriser benyttes i anslagsprosessen. 3 2. Julsundet fra Otrøya (Julsundet 1) Denne krysningen består av en hengebru med et hovedspenn på 1600 m. Dette er i grenseland for hvor langt en avstivningsbærer med en enkel kasse kan spenne. Det regnes med avstivningsbæreren fra Hardangerbrua pluss 10 prosent. Begge tårnene står på land, og det er korte viadukter på hver side. Element Julsundet 1600 m Betongvolum tårn over 20 000 fundament [m 3 ] Tårnfundament på land [m 3 ] 10 000 Avstivningsbærer [tonn] 11 000 Hengestenger [tonn] 200 Bærekabel [tonn] 9 200 Betongvolum forankring [m 3 ] 4 500 Viadukt over land [m] 360
4 3. Julsundet fra Gossa (Julsundet 2) Denne krysningen består av en hengebru med et hovedspenn på 1380 m og et innhengt sidespenn på 520 m. Det regnes med avstivningsbæreren fra Hardangerbrua. Det ene tårnet står på land og det andre ute på en holme (Hæringen). Element Julsundet 1380 m Betongvolum tårn over 13 000 fundament [m 3 ] Tårnfundament på land [m 3 ] 6 500 Avstivningsbærer [tonn] 13 000 Hengestenger [tonn] 250 Bærekabel [tonn] 7 100 Betongvolum forankring [m 3 ] 3500 Viadukt over land [m] 230 4. Halsafjorden Dette er den lengste krysningen i disse to KVU-ene, og her foreslås ei hengebru som spenner 2050 m. Her er det som tidligere nevnt, usikkert om en norsk type hengebru vil bli aerodynamisk stabil. For å vise en spredning i tallene, er det regnet på mengdene ved bruk av avstivningsbærer lik dobbel Dalsfjordbru pluss 25 prosent og en nedre grense med en dobbel Dalsfjordbru pluss 10 prosent der asfalten er erstattet med en lett membran. Det er flere alternative krysninger med ca. samme lengde lenger inn i fjorden. Det er i tillegg mulig å benytte seg av Åkvikgrunnen, dersom man ønsker å bygge et dypvannsfundament. Man får da et hovedspenn på ca. 1500-1600 m, altså tilsvarende Julsundet, i tillegg til et innhengt sidespenn på 600-700 m. Dette vil redusere bærekabeltonnasjen betraktelig, samt redusere usikkerheten med hensyn på aerodynamisk stabilitet. Men man introduserer samtidig en betydelig usikkerhet og kostnad ved et fundament på 100 m dyp. I tabellen nedenfor er en krysning mellom Halsaneset og Orneset beregnet. Element Halsafjorden 2050 m konservative verdier Halsafjorden 2050 m nedre verdier Betongvolum tårn over fundament [m 3 ] 36 000 36 000 Tårnfundament på land [m 3 ] 18 000 18 500 Avstivningsbærer [tonn] 23 000 20 000 Hengestenger [tonn] 350 350 Bærekabel [tonn] 23 000 20 500 Betongvolum forankring [m 3 ] 9 000 6 500 Viadukt over land [m] 290 290 1 vedlegg