HØGSKOLEN I SØR TRØNDELAG AVDELING FOR TEKNOLOGI Program for bygg og miljø 7004 Trondheim Besøksadresse: Arkitekt Christies gt. 2 Tittel: RAPPORT BACHELOROPPGAVEN Prosjektering av bro nr. 15-210, Ytstenesbrua Engineering of bridge nr. 15-210, Ytstenesbrua Prosjektnummer 01-2014 Forfattere Frode Gustad Henrik Sletsjøe Stian Fløttum Oppdragsgiver eksternt Statens vegvesen Region midt v/ Arild Christensen Dato levert Antall delrapporter Totalt antall sider Veileder internt Håvard Nedrelid 28.5.2014 3 230 Gradering ÅPEN Kort sammendrag Oppgaven går ut på å prosjektere et forslag av en plasstøpt rammebro. Det er ennå ikke bestemt om dette forslaget blir valgt, da byggetiden har stor betydning for hvilken løsning som velges. Prosjektgruppen skal dimensjonere og beregne utvalgte snitt av broen, og produsere prinsipptegninger av form og armering, samt en bøyeliste av armeringen. I tillegg skal gruppen reflektere rundt mulige innovative løsninger for å korte ned byggetiden. Stikkord fra prosjektet Ytstenesbrua, rammebro, betong, armering, armeringstegning, bøyeliste, byggetid, The Ytstenes bridge, rigid frame bridge, concrete, reinforcement, reinforcement concrete drawing, bar bending schedule, building time.
HØGSKOLEN I SØR TRØNDELAG AVDELING FOR TEKNOLOGI STUDIEPROGRAM BYGG OG MILJØ OPPGAVEN Oppgaven tar utgangspunkt i forprosjektstegning nr. K100 av bro nr. 15-210 Ytstenesbrua. Brooppgaven er en bro som står for snarlig utførelse. Broen skal bygges på samme sted der opprinnelig bro står. Den gamle broen må erstattes etter skader forårsaket av et flomras i Ytre- Stenneselva i 2012. Det er ennå ikke bestemt hvilken brotype som skal bygges. Dette har bakgrunn i at byggetiden er av stor betydning for hvilken løsning som velges. Den strenge byggetiden kommer av at vegen som går over broa ikke kan legges om, og derfor må være stengt under hele byggeperioden. Broen 1 er planlagt som en plasstøpt betong rammebro, uten lager og fuger. Broa krysser en elv/bekk, og har lysåpning på 8,0 meter og fri høyde på 2,9 meter. Økningen i lysåpningen gir bedre plass til vann og annen masse under broen for å ta hensyn til fremtidige flommer i området. Broa er tenkt fundamentert på berg, men i oppgaven tas det utgangspunkt i at broa fundamenteres på en 0,5 meter tykk steinpute over berget. Bilde 1: Ytstenesbrua etter flomras i 2012 1 Statens vegvesen, sett 02. desember 2013 http://www.vegvesen.no/fylkesveg/fv70ytstenesbrua
HØGSKOLEN I SØR TRØNDELAG AVDELING FOR TEKNOLOGI STUDIEPROGRAM BYGG OG MILJØ Resultatmål Som konstruktør er produktet av utført jobb gjerne tegninger. Det kan være alt fra monteringstegninger til armeringstegninger. Disse tegningene kan brukes som grunnlag for anbud, utførelse og kontroll. Vegvesenet som kunde er også meget interessert i beregningene som ligger bak. Vegvesenet foretar uavhengig kontroll av beregninger for alle broprosjekter og det blir utsendt eget godkjenningsbrev. For andre prosjekter er byggherren kun interessert i tegningene som blir produsert. Målet med denne oppgaven er: Utforme prinsipptegninger av form og armering av utvalgte snitt: o o o o Fundament Armeringslister Vegg/rammehjørne brodekke Vegg/innspent vinge Midtfelt brodekke Bak slike tegninger ligger det utrolig mye jobb. Ved å jobbe mot et slikt produkt får konstruktøren erfaring med prosjektering fra start til slutt, samt at en nyutdannet konstruktør får prøvd å tegne forståelige tegninger. Innovasjon/utvikling/forskning/entreprenørskap På bakgrunn av problematikken rundt å stenge veien for trafikk, vil prosjektgruppen også se på alternative byggemetoder for å korte ned byggetiden. Dette vil kun være en refleksjon over hvilke innovative løsninger som kan benyttes. I dette kapitlet ser gruppen bort fra begrensninger i dagens teknologi. Effektmål Som gruppe er det viktig å ha klare og definerte mål. Med øyet på et felles mål, blir det lettere å jobbe sammen som et lag. Gruppefølelsen og samholdet øker ved at personlige mål blir bestemt, og alle blir fortrolige med verdiene til gruppen. Effektmål gruppen har satt er: Lære å kjenne relevante standarder og håndbøker fra Statens vegvesen Mer erfaring med betong som byggemateriale Få erfaring med prosjekteringsarbeid Godt samarbeid og god kommunikasjon mellom alle deltakere, dvs. mellom alle gruppemedlemmene og veiledere
FORORD HØGSKOLEN I SØR TRØNDELAG AVDELING FOR TEKNOLOGI STUDIEPROGRAM BYGG OG MILJØ Denne rapporten ble skrevet for Statens vegvesen våren 2014. Dette er en avsluttende bacheloroppgave med verdi på 20 studiepoeng, skrevet ved Høgskolen i Sør-Trøndelag. Vi er tre studenter som har gått tre år på studiet Bygg og Miljø, med studiespesialisering innen konstruksjonsteknikk. Samarbeidet startet høsten i tredje klasse, og det ble raskt enighet om å skrive denne oppgaven. Alle på gruppen ønsket å ha en strukturert og ryddig oppgave med klare definerte mål. Vårt teoretiske grunnlag ved inngangen i dette prosjektet var emnene Betong 1 og Betong 2. Betong 2 ble forøvrig undervist av intern veileder, Håvard Nedrelid. Av litt mer praktisk tilnærmelse har Statens vegvesen gitt konstruksjonsklassen et foredrag angående brobygging. Det ble også gått befaring på Skarnsundsbrua, Linesøybrua og Stokkøybrua i forbindelse med foredraget. Vi ønsker å takke for hjelpen til: Arild Christensen (Ekstern veileder) Håvard Nedrelid (Intern veileder) Thomas Uhlving (Statisk modell) Per Otto Yttervoll (Byggstatikk) Olav R. Aarhaug (Geoteknikk) Høgskolen i Sør-Trøndelag Trondheim Mai 2014 Frode Gustad Henrik Sletsjøe Stian Fløttum Student Student Student
SUMMARY HØGSKOLEN I SØR TRØNDELAG AVDELING FOR TEKNOLOGI STUDIEPROGRAM BYGG OG MILJØ This report includes certain parts of the engineering of a new bridge that is to be built over Ytre- Stenneselva in Ørsta municipality, Norway. The present bridge was damaged during a flood in 2012 from loose rocks and water pounding onto the deck and wingwall. The new bridge is to have 8,0 meter span and rise 2,9 meters above the ground to account for future floods. The old bridge is scheduled to be demolished and the new is to be built in its place late fall 2014. The bridge is an on-site cast concrete frame bridge. For the entrepreneur who takes on the construction of this bridge there will be two aspects to the build. One being as in any project, cost within the guidelines given in Eurocodes. The second being time. Because of the ocean on one side of the bridge and the steep mountain on the other, there are no good options for rerouting the traffic around the build site during construction. Statens vegvesen has therefore set a time limit of two months for the new bridge to be in place after closing the road. In this bachelor thesis it will be mainly focused on the engineering of the frame bridge, but it will also be reflected on alternative building methods or rerouting alternative for the traffic in the chapter «INNOVASJON/UTVIKLING/FORSKING/ENTREPRENØRSKAP». Calculations and cost efficiency around our suggested alternatives will not be included in this report. In coordination with our advisor in Statens vegvesen, the design of the bridge has been simplified. This is done due to the limited time available coupled with the steep learning curve involved in engineering a complete bridge. Simplifications are documented within the report. What is included in this report is: Calculations of the loads Simplified model in STAAD.Pro Load results in critical sections of the structure Reinforcement calculations of the critical sections Bar bending schedule Principle drawings of the reinforcement in the concrete
Innhold OPPGAVEN... 5 Resultatmål... 6 Innovasjon/utvikling/forskning/entreprenørskap... 6 Effektmål... 6 FORORD... 7 SUMMARY... 8 1 INNLEDNING... 13 2 PROSJEKTERINGSGRUNNLAG... 14 2.1 Materialfastheter... 14 2.2 Eksponeringsklasse... 15 2.3 Overdekning... 15 2.4 Dimensjoner... 15 2.5 Minimumsarmering... 15 2.6 Omfaringsskjøter... 16 2.7 Forankring av lengdearmering... 16 3 LASTER... 17 3.1 Egenlast... 17 3.1.1 Resultater... 17 3.2 Trafikklast... 18 3.2.1 Lastmodell 1... 18 3.2.2 Lastmodell 2... 19 3.2.3 Horisontal last... 19 3.2.4 Sentrifugale laster og sidelaster... 19 3.2.5 Resultater... 19 3.3 Vindlast... 20 3.3.1 Definisjoner av vindretning... 20 3.3.2 Resultater... 20 3.4 Termisk last... 21 3.4.1 Resultater... 22 3.5 Kryp og svinn... 23 3.5.1 Kryp... 23 3.5.2 Svinn... 23
3.5.3 Resultater... 23 3.6 Jordtrykk... 24 3.6.1 Resultater... 24 3.7 Lastkombinasjoner... 25 3.7.1 Lastfaktorer... 25 3.7.2 Kombineringsregler... 25 3.7.3 Bruddgrensetilstand... 25 3.7.4 Bruksgrensetilstand... 25 4 STATISK MODELL... 26 4.1 Om modellen... 26 4.2 Resultater... 27 4.2.1 Fundament... 27 4.2.2 Vegg/rammehjørne brodekke... 28 4.2.3 Vegg/innspent vinge... 29 4.2.4 Midtfelt brodekke... 30 5 DIMENSJONERING... 31 5.1 Fundament... 31 5.1.1 Konstruksjonsregler... 31 5.1.2 Grunntrykk bestemmelse av nødvendig fundamentflate... 31 5.1.3 Fundamentbredde, lengde og høyde... 31 5.1.4 Dimensjonering for bøyemoment... 33 5.1.5 Dimensjonering for skjærkraft... 33 5.1.6 Forankringslengde av lengdearmering... 33 5.1.7 Risskontroll... 33 5.1.8 Resultater... 33 5.2 Vegg/rammehjørne brodekke... 34 5.2.1 Konstruksjonsregler... 34 5.2.2 Tykkelse vegg/dekke... 34 5.2.3 Dimensjonering for bøyemoment... 34 5.2.4 Dimensjonering for skjærkraft... 35 5.2.5 Risskontroll... 35 5.2.6 Resultat... 35 5.3 Vegg/innspent vinge... 36 5.3.1 Konstruksjonsregler... 36
5.3.2 Tykkelse vinger... 36 5.3.3 Dimensjonering for bøyemoment... 36 5.3.4 Dimensjonering for skjærkraft... 37 5.3.5 Forankringslengde av hovedarmering... 37 5.3.6 Risskontroll... 37 5.3.7 Resultat... 37 5.4 Midtfelt brodekke... 38 5.4.1 Konstruksjonsregler... 38 5.4.2 Tykkelse dekke... 38 5.4.3 Dimensjonering for bøyemoment... 38 5.4.4 Risskontroll... 39 5.4.5 Resultater... 39 6 KONTROLLER... 40 6.1 Risskontroll... 40 6.2 Risskontroll for kritiske snitt... 40 6.3 Nedbøyningskontroll... 41 6.3.1 Nedbøyningskrav... 41 6.3.2 Resultater... 41 7 INNOVASJON/UTVIKLING/FORSKING/ENTREPRENØRSKAP... 42 7.1 Unngå stengt veg... 43 7.2 Redusert stengetid... 44 8 KONKLUSJON... 45 8.1 Resultatmål... 45 8.2 Innovasjon/Utvikling/Forskning/Entreprenørskap... 45 8.3 Effektmål... 45 8.4 Gjennomføring... 46 9 REFERANSER OG KILDER... 47 9.1 Håndbøker... 47 9.2 Norsk Standard... 47 9.3 Fagbøker... 47 9.4 Rapporter... 47 9.5 Bildeliste... 48 9.5.1 Bruk av bilder... 48 9.6 Figurliste... 48
9.7 Tabelliste... 49 VEDLEGG... 50 A. Artikkel... 50 B. Materialfasthet... 50 C. Lastberegning... 50 D. Dimensjonering... 50 E. Kontroller... 50 F. Statisk rapport... 50 G. Administrasjon... 50 H. Prinsipptegninger... 50 I. A3-Plakat... 50
1 INNLEDNING I Norge er det vanlig å bruke betong i bærende konstruksjoner. Armert betong er det mest brukte byggematerialet som finnes for denne typen konstruksjoner i dag. Betong i seg selv er en svært gammel teknologi. Det eldste funnet av sementliknende bindemiddel er datert helt tilbake til 5600 f.kr. Betongen slik vi kjenner den i dag ble først tatt i bruk på slutten av 1800-tallet da de klarte å produsere stål med høy fasthet. Konstruksjonen blir en kompositt mellom stål og betong, der betongen tar opp trykkrefter og stålet tar opp strekkrefter. Økonomien, formbarheten og bestandigheten av materialet gjør det svært gunstig å benytte betong til alle større konstruksjoner. Brotypen for Ytstenesbrua er ennå ikke bestemt, men denne oppgaven tar utgangspunkt i forprosjektstegning nr. K100 av bro nr. 15-210 Ytstenesbrua. Broen skal bygges på samme sted som opprinnelig bro. Oppgaven består derfor av: Fastsettelse av laster Modellering i STAAD.Pro Statisk analyse med utskrift av relevante resultater Dimensjonering av utvalgte snitt Utforme prinsipptegninger av form og armering Utarbeide armeringsliste 13
2 PROSJEKTERINGSGRUNNLAG Prosjekteringen er gjennomført etter Statens vegvesen sine håndbøker. Disse håndbøkene bygger på Norsk standard og Eurocoder med nasjonale tillegg. 2.1 Materialfastheter Se vedlegg «B1 Materialfasthet» for beregninger. Statens vegvesen har høye krav til prosjekterende og utførende. Blant annet skal den egenutviklede vegvesenbetongen benyttes. Denne er av kvalitet B45 SV-40. Denne er tilpasset deres bruksområde på bestandighet og trykkfasthet. Armeringsstålet er angitt i forprosjektstegning nr. K100 og er av kvaliteten B500NC. Tabell 1: Materialfastheter Bærende konstruksjoner i betong er vanlig å dimensjonere underarmerte. Armeringsstålet får da en plastisk deformasjon før betongen går til trykkbrudd. Dette gjør at konstruksjonen oppfører seg duktilt, og det vil bli tydelige deformasjoner før brudd. I et slikt tilfelle, kan tiltak iverksettes for å unngå ulykker. Figur 1: Relativ trykksonehøyde Vanlig praksis i Norge er å dimensjonere normalarmert. Dette er en standardisert form for underarmering. Faktorene ε cu og ε yk varierer med henholdsvis betongkvalitet og stålkvalitet. Trykksonen vil derfor være avhengig av disse faktorene, se Figur 1. I denne oppgaven er det valgt å bruke betongkvalitet B45 og armeringsstål B500NC for alle snitt. Trykksone i betongen finnes ved å bruke formelen: 14
2.2 Eksponeringsklasse Se vedlegg «B2 Betongoverdekning» for beregninger. Eksponeringsklassen er en klasse som beskriver miljøforholdene til konstruksjonen. Broer er generelt veldig utsatt for været og kjemikalier i form av vegsalt. Denne broen er i tillegg nær kysten, og er utsatt for luftbårne klorider. Underside av brudekke Overside av brudekke Tabell 2: Eksponeringsklasser Eksponeringsklasse XS3 XD3 2.3 Overdekning Se vedlegg «B2 Betongoverdekning» for beregninger. På grunn av korrosjon i armeringsstålet stilles det spesielt store krav til betongoverdekning. Denne fremkommer av beregninger med eksponeringsklasse og bestandighetsklasse. C nom.over C nom.under Tabell 3: Overdekningskrav 75 mm 75 mm 2.4 Dimensjoner De fleste dimensjoner er gitt fra tegning nr. K100. Andre dimensjoner er valgt som utgangspunkt for beregninger. h dekke t vegg t vinge h fundament Tabell 4: Dimensjoner 500 mm 500 mm 350 mm 400 mm 2.5 Minimumsarmering Den beregningsmessige mengden armering for hvert snitt skal kontrolleres mot nødvendig minimumsarmering. Dette er et armeringsareal som er angitt for å hindre sprø bruddformer, for å kunne ta opp tvangsspenninger og for å unngå store riss. Nødvendig minimumsarmering er bestemt etter tverrsnittets bredde b t, armeringens tyngdepunkt d, middelverdi av betongens aksialstrekkfasthet f ctm og armeringsstålets karakteristiske flytespenning f yk. Nødvendig minimumsarmering er beregnet etter EC1992-1-1, NA.9.2.1.1(1): 15
2.6 Omfaringsskjøter Noen steder blir det nødvendig med skjøting av armeringsstenger. Det blir det for eksempel i overgangen vegg/dekke og der armeringen må forankres med forankringsenheter, Se Figur 2. Fra EC1992-1-1, 8.7.2: Skjøting skal være utformet slik at: - Overføring av krefter mellom stengene er sikret - Avskalling av betongen i skjøteområdet ikke forekommer - Store riss som påvirker konstruksjonens funksjon ikke forekommer Det er ikke utført noen beregninger av omfaringslengder. Fra oppdragsgiver er det opplyst om at nødvendig omfaringslengde er 50 ganger armeringsdiameter: Figur 2: Omfaringslengde av armeringsjern 2.7 Forankring av lengdearmering Armeringsstål må være forankret i begge ender for ha noen effekt for å kunne ta opp strekk. Forankring er bare effektivt i trykksonen av tverrsnittet, og virker ved heft mellom armering og betong. Fra EC1992-1-1, 8.4.1: Armeringsstenger skal være forankret slik at krefter blir sikkert overført til betongen, og at langsgående riss eller avskalling unngås. Det er ikke foretatt noen beregninger av forankringslengder. I noen beregninger er det kun antatt nødvendig lengde. 16
3 LASTER 3.1 Egenlast Se vedlegg «C1 Egenlast» for beregninger. Egenlasten av brudekket er lastene fra betong og armering i brudekket, slitelag, kantdrager og rekkverk. Tyngdetettheten til armert betong står oppgitt i EC1991-1-1, og blir multiplisert med volumet av brodekket. Tykkelsen på dimensjonerende slitelag er angitt i forprosjektstegning nr. K100. Tykkelsen er bestemt til 200 mm. Det gir en flatelast på 5,0kN/m 2. Verdiene for kantdrageren og rekkverket ble oppgitt av oppdragsgiver. Kantdrageren gir en last på 3,1 kn/m på hver side og brurekkverket gir en last på 0,5 kn/m på hver side. 3.1.1 Resultater Identitet Last Egenlast brodekke 94 kn/m Slitelag 5,0 kn/m 2 Kantdrager 3,1 kn/m Rekkverk 0,5 kn/m Tabell 5: Egenlaster 17
3.2 Trafikklast Se vedlegg «C2 Trafikklast» for beregninger. Fra HB 185, 3.3 «Trafikklast på vegbruer»: «Med trafikklast forstås belastningene i vertikal og horisontal retning på kjørebane, skulder, gangbane, sykkelbane og midtdeler fra så vel fotgjengere som de lette og tunge kjøretøyer som kan belaste konstruksjonen uten spesielle restriksjoner. Trafikklastene i forskriften dekker belastningen fra den trafikk som normalt tillates på konstruksjonen. Tyngre kjøretøyer kan ikke passere uten at det foreligger dispensasjon. Trafikklasten beskrives ved hjelp av ekvivalentlaster, dvs. forenklede laster som dekker virkningen av visse tunge kjøretøyer omgitt av en blanding av lette og tunge kjøretøyer.» Trafikklaster er beregnet etter EC 1991-2 «Trafikklast på bruer». 3.2.1 Lastmodell 1 Lastmodell 1 (LM1) består av konsentrerte laster og jevnt fordelte laster, og brukes for globale og lokale analyser. LM1 gjelder for broer med største spennvidde opp til 500 meter. Nasjonalt tillegg gir anledning til å redusere lastene, med reduksjonsfaktorer som gjelder for hvert enkelt kjørefelt. Plassering av aksellast: EC1991-2, 4.3.2(1a): Hvert tandemsystem skal plasseres langs senterlinjen av kjørefeltet og skal bestå av to identiske hjul, lasten for hvert hjul er lik 0,5*α Q *Q k. Aksellasten skal fordeles over flater på 0,4x 0,4 m 2. Avstanden mellom hjulakslingene er to meter. Se Figur 3. Plassering av jevnt fordelt last: EC1991-2, 4.3.2(1b): Jevnt fordelt trafikklast skal påføres på mest ugunstige plassering både i lengderetning og på tvers. Se Figur 4. Figur 3: Plassering av punktlaster, lastmodell 1 Figur 4: Plassering av jevnt fordelt last, lastmodell 1 18
3.2.2 Lastmodell 2 Lastmodell 2 (LM2) består av en enkelt aksellast på 400 kn. Der det er relevant, kan det benyttes en punktlast på 200 kn, som skal representere lasten fra kun ett hjul. Plassering av aksellast: [EC1991-2, 4.3.3(4)]: Punktlastene kan fordeles vilkårlig, og skal fordeles over et rektangel med sidene 0,35 m og 0,60 m. Avstanden mellom hjulakslingene er to meter. Se Figur 5. Figur 5: Plassering av laster, lastmodell 2 3.2.3 Horisontal last Bremsing og akselerasjon vil føre til horisontale krefter som virker i lengderetningen av broen. Øvre grense for bremsekraft og akselerasjonskraft settes lik 900 kn. Horisontal last virker sammen med lastmodell 1, i kjørebane 1. Bremse- og akselerasjonslast har den samme verdien, men virker i motsatt retning. 3.2.4 Sentrifugale laster og sidelaster Sentrifugalkrefter oppstår på grunn av krefter på tvers av lengderetningen. Der det er relevant, skal det antas en bremselast som oppstår på grunn av skjevfordelt bremsing. Denne lasten er 25 % av bremselasten, og oppstår samtidig som sentrifugallasten. 3.2.5 Resultater Lastmodell 1 er funnet til å være dimensjonerende. Lastmodell 1: Plassering Aksellast Fordelt last Brems/akselerasjonslast Sentrifugallast Sidelast Kjørefelt 1 300 kn 5,4 kn/m 2 375 kn 160 kn 75 kn Kjørefelt 2 200 kn 2,5 kn/m 2 - Resterende - 2,5 kn/m 2 - Tabell 6: Lastmodell 1 Lastmodell 2: Plassering Vilkårlig Tabell 7: Lastmodell 2 Aksellast 400 kn 19
3.3 Vindlast Se vedlegg «C3 Vindlast» for beregninger. Vindlast på brukonstruksjoner bestemmes etter EC1991-1-4 og Håndbok 185. Vindlastklasse må velges for å kunne bestemme faktorer som påvirker vindlasten. For denne broen er det valgt vindlastklasse 1: Fra HB 185, 2.5.2 «Vindlast»: «Brukonstruksjoner med ubetydelig dynamisk lastvirkning fra vind. Vindklasse 1 omfatter alle bruer, hvor laveste egensvingeperioden er < 2 s.» Broen skal bygges ved kysten i Ørsta kommune i Møre og Romsdal. Referansevind for området er gitt som v b.0 = 28 m/s. Denne hastigheten blir så korrigert med korreksjonsfaktorer som varierer med vindretning, høyde over havet, topografi og terrenget. Den korrigerte stedsvindshastigheten blir brukt til å beregne vindhastighetstrykket. Dette er en generell flatelast. En eksponeringsfaktor tar hensyn til vindens retning og geometri på broen. 3.3.1 Definisjoner av vindretning Se Figur 6 for illustrasjon av retningsbeskrivelse. x-retning: y-retning: z-retning: Retningen parallelt med brudekkets bredde, vinkelrett på spennet Retningen langs spennet Retningen vinkelrett på dekket Figur 6: Retninger for vindpåvirkninger på bruer 3.3.2 Resultater Retning x-retning y-retning z-retning x-retning m/trafikk y-retning m/trafikk z-retning m/trafikk Tabell 8: Vindlast Vindlast 3,02 kn/m 14,15 kn/m 0,76 kn/m 3,70 kn/m 6,84 kn/m 0,93 kn/m 20
3.4 Termisk last Se vedlegg «C4 Termisk last» for beregninger. Termisk last bestemmes etter EC1991-1-5:2003+NA:2008 og håndbok 185. Fra EC1991-1-5, 6.1.2(1): Termisk påvirkninger bør fastsettes ved hjelp av den jevnt fordelte temperaturandelen og temperaturdifferansen. Fra EC1991-1-5, Pkt. 4(3): Temperaturfordelingen i en enkelt konstruksjonsdel kan deles inn i følgende fire hoveddeler, se Figur 7: a) Jevnt fordelt temperaturandel b) Lineært varierende temperaturdifferanse om z-akse c) Lineært varierende temperaturdifferanse om y-akse d) Ikke-lineært varierende temperaturdifferanse Figur 7: Beskrivelse av temperaturandelene som utgjør en temperaturprofil Ser bort fra ikke-lineært varierende temperaturdifferanse siden det er et homogent betongtverrsnitt i brodekket. Valgte grunnverdier: Brooverbygningen: Type 3 Øvre representative lufttemperatur: T max = 34 C Nedre representative lufttemperatur: T min = -25 C Overside varmest: ΔT.M.heat = 15 C Underside varmest ΔT.M.cool = 8 C Lineært varierende temperaturdifferanse oppstår når oversiden er varmere enn undersiden, og undersiden er varmere enn oversiden. Etter ligning (6.3) og (6.4) kombineres ulike tilfeller med aksial ekspansjon eller kontraksjon med temperatur differansen mellom top og bunn. Selve kombineringen blir gjort i STAAD.Pro ved at hver lastkombinasjon blir lagt direkte inn. 21
3.4.1 Resultater Lastkombinasjoner med oversiden varmest: Lastkombinasjon Termisk aksial ekspansjon/kontraksjon [ΔT.M.heat ] Temperaturdifferanse mellom topp og bunn LK1 ω.n* ΔT.N.exp = 7,35 C ΔT.M.heat = 15 C LK2 ω.n* ΔT.N.con = 9,45 C ΔT.M.heat = 15 C LK3 ΔT.N.exp = 21 C ω.m ΔT.M.heat = 11,25 C LK4 ΔT.N.con = 27 C ω.m ΔT.M.heat = 11,25 C Tabell 9: Temperaturlast, overside varmest Lastkombinasjoner med undersiden varmest Lastkombinasjon Termisk aksial ekspansjon/kontraksjon [ΔT.M.heat ] Temperaturdifferanse mellom topp og bunn LK5 ω.n* ΔT.N.exp = 7,35 C ΔT.M.cool = 8 C LK6 ω.n* ΔT.N.con = 9,45 C ΔT.M.cool = 8 C LK7 ΔT.N.exp = 21 C ω.m ΔT.M.cool = 6 C LK8 ΔT.N.exp = 27 C ω.m ΔT.M.cool = 6 C Tabell 10: Temperaturlast, underside varmest 22
3.5 Kryp og svinn Se vedlegg «C5 Kryp» og «B6 Svinn» for beregninger. Betongens kryp og svinn er avhengig av omgivelsene. Fuktighet, konstruksjonens tverrsnittsdimensjoner og betongens sammensetning er med på å påvirke hvor mye kryp og svinn konstruksjonen vil ha. 3.5.1 Kryp Betong som påkjennes av trykk over lang tid, vil fortsette å trykkes sammen utover den øyeblikkelige sammentrykkingen som skjer idet lasten påføres. Denne tilleggsdeformasjonen kalles kryp. Kryp påvirkes av modenheten på betongen når lasten påføres, og avhenger av belastningens varighet og størrelse. 3.5.2 Svinn Uttørking av betongen fører til at den trekker seg sammen. Denne krympingen kalles svinn. I motsetninger til kryptøyninger, er ikke svinntøyningene avhengig av lastnivå. Total svinntøyning består av to bidrag, uttørkningssvinn ε cd og autogent svinn ε ca. Autogent svinn er svinn som kommer av selvuttørkning. Uttørkningssvinnet er avhengig av fukttransporten i herdet betong, og utvikler seg langsomt. Det autogene svinnet utvikler seg med betongens fasthetsutvikling og skjer på et tidlig stadium etter utstøping. 3.5.3 Resultater Kryptallet ϕ(t,t 0 ) = 1,633 Svinntøyning ε CS = 2,966 Tabell 11: Kryp og svinn 23
3.6 Jordtrykk Se vedlegg «C7 Jordtrykk» for beregninger. Jordtrykket vil virke mot veggene og mot vingene. Dette er en bro som går over en liten elv. UK fundament ligger 1,68m over grunnvannsnivå. Det er ikke foretatt noen grunnundersøkelser, så jorddata er ikke gitt. Antar sprengtstein og pukk med densitet på 19 kn/m 3. Attraksjonstallet a, er løsmassens strekkapasitet. Sprengtstein og pukk har ingen attraksjon, så attraksjonstallet er derfor satt til 0 kpa. Friksjonsvinkelen φ er en beskrivelse den naturlige helningsvinkel på massen når den blir løst lagret. Denne er satt til 42. Det er antatt hviletilstand, og ruheten r er satt lik 0. Sikkerhetsfaktoren γ m ble valgt til 1,5. Det gir tilstrekkelig sikkerhet. Jordtrykket er delt opp i en permanent og en variabel del. Dette på grunn av at lastfaktoren vil være forskjellige i hvert tilfelle. Se Figur 8. Figur 8: Jordtrykk på vegg 3.6.1 Resultater Vertikaltrykk, σ Z Horisontaltrykk, σ A Horisontaltrykk pga terrenglast, σ AT Tabell 12: Jordtrykk 84,9 kpa 27,5 kpa 15 kpa 24
3.7 Lastkombinasjoner 3.7.1 Lastfaktorer Lastfaktorene i bruddgrensetilstand er utformet slik at de karakteristiske lastene blir så store som det maksimalt kan forventes, med en viss sannsynlighet for overskridelse. I bruksgrensetilstand er lastfaktorene ofte 1,0 eller 0. Formålet med bruksgrensetilstand er å finne nærmest mulig realistiske laster. Ut fra dette beregnes nedbøyning og riss. 3.7.2 Kombineringsregler Før kombineringen kan utføres må lastfaktorene bestemmes. HB 185, pkt. 4.3.2.2.1 sier at EC-1991-1-1, NA.A2.3.1.(5) er gjeldende kombinering av laster på vegbroer. Fra EC1991-1-1, NA.A2.3.1.(5): «Bestemmelsene i NS-EN 1990:2002/NA:2008, punkt NA.A1.3.1.(5) gjelder, men lastfaktorer benyttes i henhold til tabell NA.A2.4(C) respektive NA.A2.4(B).» 3.7.3 Bruddgrensetilstand Når alle lastfaktorer er bestemt for hver enkelt last, kombineres lastene etter Likning 6.10a og 6.10b. Den dimensjonerende lastkombinasjonen gir de største tverrsnittsspenningene i de forskjellige konstruksjonsdelene. Det er her to hovedgrupper av lastkombinasjonene. «Kombinasjoner uten trafikklast» og «kombinasjoner med trafikklaster» finnes i vedlegg «C8 Lastkombinering» For «kombinasjonene uten trafikklast» er egenlasten klart dominerende. Denne hovedgruppen er derfor kun beregnet etter Likning 6.10a. Her finnes to lasttilfeller av den variable lasten vindlast (trykk/sug). Det finnes 8 forskjellige lasttilfeller av temperaturlast. Lastene settes sammen i modellen for å vurdere om lastene virker i samme retning, som igjen vil avgjøre om lastene skal vurderes til gunstig eller ugunstig. Dette gir til sammen 16 forskjellige lastkombinasjoner. For «kombinasjonene med trafikklaster», er trafikklasten den dominerende lasten. Trafikklast er en samlebetegnelse av alle lastene brems og akselerasjonslast, punktlast fra trafikk, og jevnt fordelt last fra trafikk. Siden dette er en variabel last, vil den dimensjonerende kombinasjonen mest trolig finnes med likning 6.10b, men også 6.10a må kontrolleres. I 6.10b settes trafikklasten som den dominerende variable lasten og skal derfor ikke reduseres. Her vil jordtrykket alltid være gunstig, og vindlastene virker kun i trykk. Derfor vil det finnes to likninger, to lasttilfeller for trafikklast, og de 8 lasttilfellene for temperatur. Dette gir til sammen 32 forskjellige lastkombinasjoner. 3.7.4 Bruksgrensetilstand De karakteristiske lastene kombineres etter NS-EN 1990:2002/NA:2008 Tabell A1.4.1. Se vedlegg «C8 Lastkombinering» for tabell. Siden de 8 temperaturlastene her alltid har lastfaktor 0, gir dette kun en lastkombinasjon. Ved kontroll av langtids nedbøyning skal det benyttes en redusert E-modul. Dette er på grunn av at lastene har en varighet som forårsaker kryp. E-modulen reduseres etter EC1992-1- 1, 7.4.3(5): 25
4 STATISK MODELL 4.1 Om modellen Det er valgt å bruke beregningsprogrammet STAAD.Pro V8i. Modellen er bygd opp som en stiv ramme i rommet som er fast innspent i bunnen ved fundamentet. Den består av vegger og dekke. På grunn av den detaljerte beskrivelsen av trafikklaster, ble modellen delt inn i elementer på 100 x 100 mm 2. Til sammen blir dette en modell med 10 500 elementer og 10 716 noder. Elementtypen som er valgt er plateelementer. STAAD.Pro er et program der mange funksjoner er innebygd. Blant annet kan alle lasttilfellene legges direkte inn med sine tilhørende lastfaktorer. Dette ble en anvendelig funksjon da det totalt ble 49 forskjellige lastkombinasjoner. Vingene er håndregnet som utkragede skiver. Det er gjort forenklinger av modellen. Vegen over broen ligger i en sving med horisontalradius 250 m. Dette medfører en helning på 7,7 %. Helningen i dekket er sløyfet, mens sentrifugalkrefter på grunn av svingen er lagt til som et eget lasttilfelle. I STAAD.Pro finnes det ingen funksjon for å legge til svinn inn i modellen. Svinntøyningene er derfor endret til en aksial temperaturdifferanse. Dette gir den samme kontraksjonen i dekke som det svinnet ville gitt. Se vedlegg «C6 Svinn». For alle lasttilfellene er det gjort tester for å se at kreftene virker på en fornuftig måte på modellen. For eksempel ble egenlast av broen analysert samtidig som det ble utført en forenklet beregning for hånd. Verdiene fra begge testene ble kontrollert mot hverandre. Ved avlesing av spenninger er det viktig å se etter støy eller programfeil. Støy er store spenningskonsentrasjoner som opptrer i noen få elementer, se Figur 9. For eksempel ble det avdekket mye støy ved analyse av skjærkrefter i rammehjørnene. Verdiene opptrådde helt i ytterkanten av hjørnet. I dette tilfellet var verdiene er ca. 10 ganger større enn verdiene til omliggende elementer. Disse ekstreme verdiene kan oppstå på grunn av forenklinger i modellen. Dette vil ikke være realistisk for en betongkonstruksjon. Det er derfor valgt å se bort fra disse verdiene. STAAD.Pro opererer med både lokale og globale akser i forskjellige tilfeller. Aksesystemet må derfor kontrolleres for å ha oversikt over hvor spenningene virker. Figur 9: Tilfelle med støy i rammehjørnene 26
Brukstilstand Bruddtilstand Bruddtilstand Bruddtilstand 4.2 Resultater Det er valgt ikke å nevne de verdiene som ikke er relevante til dimensjoneringen, samtidig er det i enkelte snitt tilfeller det ikke oppstår noen ytre krefter i det hele tatt. Disse feltene er fylt inn med (-), se tabeller. 4.2.1 Fundament Lastkombinasjon Strekk UK (My) Strekk UK (Mx) Strekk OK (My) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m 57 292,0 57 45,70 Lastkombinasjon Skjær (+) (Vz) Skjær (+) (Vx) Skjær (-) (Vz) Skjær (-) (Vx) kn/m kn/m kn/m kn/m 79 1575 Lastkombinasjon Trykk (Ny) Trykk (Nx) Strekk (Ny) Strekk (Nx) kn/m kn/m kn/m kn/m Lastkombinasjon Skjær (+) (Vz) Skjær (+) (Vx) Skjær (-) (Vz) Skjær (-) (Vx) kn/m kn/m kn/m kn/m 80 632,0 Tabell 13: Resultat analyse fundament 27
Brukstilstand Bruddtilstand Bruddtilstand Bruddtilstand 4.2.2 Vegg/rammehjørne brodekke Lastkombinasjon Strekk UK (My) Strekk UK (Mx) Strekk OK (My) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m 41-358,0 Lastkombinasjon Skjær (+) (Vz) Skjær (+) (Vx) Skjær (-) (Vz) Skjær (-) (Vx) kn/m kn/m kn/m kn/m 59 713,0 Lastkombinasjon Trykk (Ny) Trykk (Nx) Strekk (Ny) Strekk (Nx) kn/m kn/m kn/m kn/m 40-4,330 Lastkombinasjon Strekk UK (My) Strekk UK (Mx) Strekk OK (My) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m 80-143,8 Tabell 14: Resultat analyse vegg/rammehjørne brodekke 28
Brukstilstand Bruddtilstand Bruddtilstand Bruddtilstand 4.2.3 Vegg/innspent vinge Referanse Strekk UK (Mz) Strekk UK (Mx) Strekk OK (Mz) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m Vedlegg D3 232,0 Referanse Skjær (+) (Vy) Skjær (+) (Vx) Skjær (-) (Vy) Skjær (-) (Vx) kn/m kn/m kn/m kn/m Vedlegg D3 181,0 Referanse Trykk (Ny) Trykk (Nx) Strekk (Ny) Strekk (Nx) kn/m kn/m kn/m kn/m Referanse Strekk UK (Mz) Strekk UK (Mx) Strekk OK (Mz) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m Vedlegg E3 157,4 Tabell 15: Resultat analyse vegg/innspent vinge 29
Brukstilstand Bruddtilstand Bruddtilstand Bruddtilstand 4.2.4 Midtfelt brodekke Lastkombinasjon Strekk UK (My) Strekk UK (Mx) Strekk OK (My) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m 38 410,0 38 126,0 72-27,40 Lastkombinasjon Skjær (+) (Vy) Skjær (+) (Vx) Skjær (-) (Vy) Skjær (-) (Mx) kn/m kn/m kn/m kn/m Lastkombinasjon Trykk (Ny) Trykk (Nx) Strekk (Ny) Strekk (Nx) kn/m kn/m kn/m kn/m 40 5,900 40 3,350 40-1,950 40-4,330 Lastkombinasjon Strekk UK (My) Strekk UK (Mx) Strekk OK (My) Strekk OK (Mx) knm/m knm/m knm/m knm/m 80 179,0 Tabell 16: Resultat analyse midtfelt brodekke 30
5 DIMENSJONERING 5.1 Fundament Se vedlegg «D1 Fundament» for beregninger. Lastene overføres fra konstruksjonen direkte til grunnen via fundamentet. Fundamenttype bestemmes av grunnforhold og konstruksjonens bæresystem. Broen er tenkt fundamentert på berg. For å forenkle tas det utgangspunkt i at broen fundamenteres på en 0,5m tykk steinpute. Dette gjøres fordi det i praksis er umulig å sprenge ut fjellet tilstrekkelig nøyaktig. 5.1.1 Konstruksjonsregler Fra HB 185, 5.3.6.2.6: For fundamenter over vann med støp mot berg eller faste løsmasser er minste overdekningskrav 75 mm. Fra HB 185, 5.3.7.2.3: Armering i fundamenter skal ikke ha mindre dimensjon enn Ø16. Maksimal senteravstand i underkant og overkant fundament er 200mm. Det er valgt å bruke samme navn på armering i fundament som i brodekke. Lengdearmering er armering lagt i broens lengderetning. Tverrarmering er armering lagt i broens tverretning. Se Figur 10. Figur 10: Illustrasjon av fundament med armeringsplassering 5.1.2 Grunntrykk bestemmelse av nødvendig fundamentflate Grunnens bæreevne uttrykkes ved et tillatt dimensjonerende grunntrykk. Bæreevnen er avhengig av flere faktorer. I beregningene er det antatt en bæreevne, σ gd = 3000 kn/m 2. Dette er en verdi som ble oppgitt av oppdragsgiver. 5.1.3 Fundamentbredde, lengde og høyde Lengden av fundamentet er bestemt til lengden av brodekket, 7500 mm. Nødvendig høyde h f velges slik at skjærkapasiteten skal bli størst mulig, eventuelt slik at skjærarmering blir unødvendig. Dette er mest praktisk med tanke på tid og arbeid. Høyden ble valgt til 400 mm. 31
Effektiv fundamentbredde b 0 bestemmes ved å anta at grunntrykket er jevnt fordelt, og at momentet fra veggen er lik null, se Figur 11. Figur 11: Sentrisk belastet fundament I dette tilfellet overfører veggen moment til fundamentet. Nødvendig fundamentbredde b 1 bestemmes for et moment som varierer som 0 M Ed M Ed,max. Kombinasjon av moment og vertikallast betraktes som en ekvivalent eksentrisk vertikallast, se Figur 12. Figur 12: Eksentrisk belastet fundament Valgt bredde og lengde kontrolleres mot HB 185, 5.9.4.4. Denne kontrollen avgjør om det er tilstrekkelig stabilitet i fundamentet. Her brukes minste opptredende aksialkraft fra veggen. Dette vil føre til minst stabilitet. Det ble valgt å bruke et symetrisk fundament. 32
5.1.4 Dimensjonering for bøyemoment I broens lengderetning kan fundamentet betraktes som en utkraget plate. Lengdearmering underkant og overkant blir bestemt av dimensjonerende momentet ved veggliv. Moment som gir strekk i underkant blir bestemt av opptredende grunntrykk, mens moment som gir strekk i overkant blir bestemt av jordtrykk og trafikklast. Nødvendig armeringsmengde ble minimumsarmering beskrevet i HB 185, Ø16 s200. Tverrarmering i underkant blir bestemt av moment som opptrer på grunn eksentrisitet av aksialkraft fra vegg. Nødvendig armeringsmengde ble minimumsarmering, Ø16 s200. I overkant blir ikke fundamentet påkjent av ytre krefter om lengderetning. Tverrarmering blir bestemt av minimumsarmering, Ø16 s200. 5.1.5 Dimensjonering for skjærkraft Opptredende skjærkrefter kontrolleres i fundamentet. Skjærkraften i en avstand d fra veggliv kontrolleres for skjærstrekkbrudd. Beregninger viser at fundamentet har tilstrekkelig med kapasitet, slik at skjærarmering blir unødvendig. Skjærkraft ved veggliv kontrolleres for skjærtrykkbrudd. Her var det som forventet tilstrekkelig kapasitet. 5.1.6 Forankringslengde av lengdearmering Lengdearmeringen må forankres for å oppnå tilstrekkelig forankring. Etter EC1992-1-1 kan dette utføres med egne forankringsenheter. Det er valgt å legge inn U-bøyler ved fundamentkanten, som monteres sammen med lengdearmering i under- og overkant. Omfaringslengde er 50 ganger bøylediameter. 5.1.7 Risskontroll Se vedlegg «E1 Risskontroll fundament» for beregninger. Forenklet risskontroll er foretatt for lengdearmering i underkant. Beregninger viser at kravet er tilfredsstilt. 5.1.8 Resultater Se vedlegg «H Prinsipptegninger» for detaljer. Plassering Diameter [mm] Senteravstand [mm] Lengdearmering UK Ø16 200 Tverrarmering UK Ø16 200 Lengdearmering OK Ø16 200 Tverrarmering OK Ø16 200 Forankringsarmering Ø12 200 Tabell 17: Armering fundament 33
5.2 Vegg/rammehjørne brodekke Se vedlegg «D2 Vegg/rammehjørne brodekke» for beregninger. 5.2.1 Konstruksjonsregler Overdekningskravet for både overside og underside på brodekket er 75 mm. I beregningene er det brukt armeringsjern Ø25 i overkant og Ø16 i underkant. I underkant legges tverrarmering over lengdearmering. I overkant legges tverrarmering under lengdearmeringen. Se Figur 13. Skjærarmeringen monteres rundt tverrarmeringen. Figur 13: Illustrasjon av rammehjørne med armeringsplassering 5.2.2 Tykkelse vegg/dekke Fra tegning K100 er tykkelse på dekket bestemt til 500 mm. Det viser seg nødvendig og velge samme tykkelse for vegg, da momentet som overføres er forholdsvis stort. Momentkapasiteten på betongtrykksonen til veggen/dekket bør være tilnærmet lik. Nødvendig armeringsmengde blir da den samme for veggen og dekket. 5.2.3 Dimensjonering for bøyemoment Armeringsmengden beregnes for de lasttilfellene som gir størst støttemoment, både strekk overkant og underkant. Her er det kun momenter om tverretning som er dimensjonerende. Alle momentene om lengderetning vil bli tatt opp av veggen. Tverrarmering blir derfor bestemt av minimumsarmering. Minimumsarmering er bestemt etter EC1992-1-1. Tverrarmeringens senteravstand i brodekket er bestemt etter minimumsarmering, med senteravstand 250 mm. For å kunne montere skjærarmering, bestemmes senteravstand etter skjærarmeringens nødvendige senteravstand. Det legges tverrarmering med denne senteravstanden i hele sonen der det trengs skjærarmering. Tverrarmeringens senteravstand i veggen bestemmes etter minimum senteravstand i EC1992-1-1, som er beregnet til Ø16 s250. 34
I overkant må hjørnet overføre et stort innspenningsmoment. Det medfører en armeringsmengde på Ø25 s200. Ingen av lasttilfellene gir strekk i underkant. Her vil det bli lagt armering som er dimensjonert for underkant midtfelt. Nødvendig lengde av lengdearmering er beregnet for hvor stor del av hjørnet som er i strekk. Det er ikke beregnet nødvendig forankringslengde. Antatt forankringslengde er valgt til 500 mm hver ende. Der det er nødvendig med skjøting av armeringen, velges en omfaringslengde på 50 ganger armeringsdiameter. 5.2.4 Dimensjonering for skjærkraft Skjærarmering beregnes for det lasttilfellet som gir størst opptredende skjærkraft i rammehjørnet. For tverrsnittets skjærkapasitet er det ugunstig med aksialkrefter i form av strekk. Strekk i brodekket medfører at skjærstrekkapasiteten blir redusert. Skjærkapasitet i dekket er derfor beregnet for det tilfelle med mest strekk. Skjærkraftkapasiteten er beregnet etter EC1992-1-1. Tverrsnittet har ikke nok skjærkapasitet. Det er valgt å armere med rette bøyler. Nødvendig armering er Ø16 s150. Det må skjærarmeres fra veggliv og 2300 mm ut i lengderetningen av broen på begge sider. 5.2.5 Risskontroll Se vedlegg «E2 Risskontroll rammehjørne» for beregninger. Forenklet risskontroll er foretatt for lengdearmering i overkant. Beregninger viser at kravet er tilfredsstilt. 5.2.6 Resultat Se vedlegg «H Prinsipptegninger» for detaljer. Plassering Diameter [mm] Senteravstand [mm] Lengdearmering UK Fra midtfelt - Lengdearmering YK 2 vegg Ø16 250 Tverrarmering UK dekke Ø16 150 Tverrarmering YK vegg Ø16 250 Lengdearmering OK Ø25 200 Tverrarmering OK dekke Ø16 150 Tverrarmering IK 3 vegg Ø16 250 Skjærarmering Ø16 150 Tabell 18: Armering vegg/rammehjørne brodekke 2 YK: Ytterkant, mot lysåpning 3 IK: Innerkant, mot fylling 35
5.3 Vegg/innspent vinge Se vedlegg «D3 Vegg/innspent vinge» for beregninger. Vingene går parallelt med kjøreretningen i underkant av kantdrageren fra lysåpningen og inn i jordfyllingen. Vingene skal holde jordmassene på plass. I beregningene er det antatt at vingene går helt i overkant av brodekket. Dette er gjort for å få med alt jordtrykket i beregningene, og for å beregne jordtrykkets tyngdepunkt, se Figur 14. Vingene støpes ikke sammen med fundamentene. Dette gjøres for å unngå store tvangsspenninger. Figur 14: Illustrasjon av vinge 5.3.1 Konstruksjonsregler Fra HB 185, 5.3.7.3.1: Armeringen skal ikke ha større senteravstand enn 200 mm, dette gjelder både vertikalt og horisontalt. Fra HB 185, 5.3.7.3.3: Vegger skal dobbeltarmeres i begge retninger. Armeringen skal ikke ha mindre diameter enn 12 mm. 5.3.2 Tykkelse vinger Med utgangspunkt for at vegger skal dobbeltarmeres i begge retninger, viser det seg nødvendig med en veggtykkelse på 350 mm. Dette for å få nok kapasitet i forhold til dimensjonerende moment. 5.3.3 Dimensjonering for bøyemoment Vingene skal spennes inn i tverrveggen på broen. Vingene kan derfor betraktes som utkragede skiver. Det skal ikke regnes med mottrykk på utsiden av vingene. Lastene som vingene skal ta opp er jordtrykk og jordtrykk på grunn av trafikklast. Strekksiden vil bli på innsiden av vingene. Hovedarmeringen er liggende armering på innsiden. Beregningene viser at det vil bli størst innspenningsmoment der lasten har sitt tyngdepunkt. Nødvendig armeringsmengde for innvendig liggende armering er Ø20 s100. 36
Tverrarmering innerkant og armering ytterkant blir bestemt av minimumsarmering etter HB 185. Nødvendig armering er Ø12 s200. Laster som blir påført i vertikal retning, som egenlast og last fra kantdrager og rekkverk, vil føre til strekk i overkant av vingen. Det er antatt at beregnet armering vil ha nok kapasitet for å ta opp dette strekket. Det ikke gjort noen beregninger som viser dette. 5.3.4 Dimensjonering for skjærkraft Beregninger viser at skjærkraftkapasiteten til vingene er større enn opptredende skjærkraft i en avstand d fra innspenning. Trenger derfor ikke skjærarmering. 5.3.5 Forankringslengde av hovedarmering Innvendig liggende armering må forankres for å oppnå tilstrekkelig forankring. Etter EC1992-1-1 kan dette utføres med egne forankringsenheter. Det er valgt å legge inn U-bøyler ved skråkant, som monteres sammen med den liggende armeringen. Omfaringslengde er 50 ganger bøylediameter. 5.3.6 Risskontroll Se vedlegg «E3 Risskontroll vinger» for beregninger. Forenklet risskontroll er foretatt for horisontalarmering på innsiden. Beregninger viser at kravet er tilfredsstilt. 5.3.7 Resultat Se vedlegg «H Prinsipptegninger» for detaljer. Plassering Diameter [mm] Senteravstand [mm] Liggende armering IK Ø20 100 Stående armering IK Ø12 200 Liggende armering YK Ø12 200 Stående armering YK Ø12 200 Forankringsarmering Ø12 100 Tabell 19: Armering vegg/innspent vinge 37
5.4 Midtfelt brodekke Se vedlegg «D4 Midtfelt brodekke» for beregninger. 5.4.1 Konstruksjonsregler Overdekningskravet for både overside og underside på brodekket er 75 mm. I beregningene er det brukt armeringsjern Ø16 i overkant og i tverretning underkant. For lengderetning i underkant er det brukt Ø25. I underkant legges tverrarmering over lengdearmering. I overkant legges tverrarmering under lengdearmeringen, Se Figur 15. Figur 15: Illustrasjon av brodekke, sett i tverretning 5.4.2 Tykkelse dekke Fra tegning K100 er tykkelse på dekket bestemt til 500 mm. Denne tykkelsen er brukt i beregningene. 5.4.3 Dimensjonering for bøyemoment Armeringsmengden beregnes for de tilfellene som gir størst påkjent tverrsnitt. Det beregnes armering for momenter i over- og underkant i lengderetning og tverretning. For strekk i underkant lengderetning oppstår et stort dimensjonerende moment. For dette momentet kreves det en armeringsmengde Ø25 s 150. Armeringen legges i hele brodekkets lengde. Det er ikke foretatt beregninger på forankring av lengdearmeringen. Velger å føre lengdearmeringen 350 mm forbi vegglivet på hver side. I tverretning er nødvendig armeringsmengde Ø16 s250. Det legges tverrarmering med denne senteravstanden i midtfelt av broen, 2300 mm fra veggliv på begge sider. Ingen av lasttilfellene gir strekk om lengderetning i overkant av midtfeltet. Her armeres det etter minimumsarmering. I tverretning er dimensjonerende moment lavt i forhold til dekkets kapasitet. Her blir nødvendig armeringsmengde bestemt av minimumsarmering. Minimumsarmering er beregnet etter EC1992-1-1. Der det er nødvendig med skjøting av armeringen, velges en omfaringslengde på 50 ganger armeringsdiameter. 38
5.4.4 Risskontroll Se vedlegg «E4 Risskontroll midtfelt» for beregninger. Forenklet risskontroll er foretatt for lengdearmering i underkant. Beregninger viser at kravet er tilfredsstilt. 5.4.5 Resultater Plassering Diameter [mm] Senteravstand [mm] Lengdearmering UK Ø25 150 Tverrarmering UK Ø16 250 Lengdearmering OK Ø16 250 Tverrarmering OK Ø16 250 Tabell 20: Armering midtfelt brodekke 39
6 KONTROLLER 6.1 Risskontroll Opprissing skal begrenses slik at konstruksjonens funksjon eller bestandighet ikke skades, se Figur 16. Krav til rissvidde relateres direkte til eksponeringsklassene, altså miljøpåvirkningen. Hvis en konstruksjonsdel har høy miljøpåvirkning er kravet til rissvidde strengere. Kontroll av rissvidde kan beregnes ut fra armeringsspenningen σ s relatert til armeringsmengde, eller ved direkte beregning av rissvidde w k. Ved krav om begrensning av rissvidde kreves en minimumsarmering med heft for å begrense opprissingen. Minimumsarmeringen beregnes ut fra likevekt mellom strekkraft i betongen umiddelbart før opprissing og strekkraft i armeringen ved flytning, eventuelt ved en lavere spenning hvis det er nødvendig for å begrense rissvidde. Figur 16: Illustrasjon av riss 6.2 Risskontroll for kritiske snitt Forenklet rissviddekontroll er gjennomført etter EC1992-1-1, 7.3.3. Spenningen i strekkarmeringen beregnes for opprisset tverrsnitt (Stadium II), se Figur 17. Beregnet stålspenning kontrolleres mot tillatte stålspenning som er bestemt for stangdiameter og senteravstand etter EC1992-1-1, tabell 7.2N og tabell 7.3N. Figur 17: Opprisset tverrsnitt, stadium II 40
Lastkombinasjon Horisontal (X) Horisontal (Z) Vertikal (Y) 6.3 Nedbøyningskontroll En modell i bruksgrensetilstand og en modell med redusert E-modul er beregnet i STAAD.Pro. De maksimale nedbøyningene kontrolleres etter HB 185. 6.3.1 Nedbøyningskrav HB 185, 5.1.2.1: «Nedbøyning av brokonstruksjonens brobane på grunn av trafikklast alene skal ikke for noen lastplassering overstige L/350, hvor L er lengden av det betraktede spenn.» 6.3.2 Resultater Konstruksjonsdel Dekke 84 2,485 mm 1,990 mm -11,594 mm Tabell 21: Resultater nedbøyning Nedbøyningskravet er godkjent! 41
7 INNOVASJON/UTVIKLING/FORSKING/ENTREPRENØRSKAP Utførelse av broen over Ytre-Stenneselva står ovenfor et problem ved at det ikke er mulighet for omlegging av vegen under bygging. Det betyr at vegen blir stengt ved oppstart av rivearbeid og fram til den nye bruen er bygget. Den eneste omkjøringsmuligheten medfører en økt reisetid fra 20 minutter til 60 minutter. Konsekvensene for stengt veg kan regnes som en kostnad på dem det påvirker. Størrelsen av disse kostnadene er mulig å estimere med relativt god nøyaktighet. Ved og synligjøre slike kostnader rundt et prosjekt vil det være lettere å avgjøre om en veg burde stenges eller ikke. Eventuelt om det er lønnsomt å vurdere dyre og kjappe byggemetoder fremfor billigere og sene byggemetoder. Bråthen, Husdal og Rekdal (2008) gjennomførte en undersøkelse av stengt veg på grunn av ras i Norge. Rapporten viser til et samfunnsøkonomisk tap som konsekvens av stengt veg. Gjennom modellen viser de et tap i forhold til ÅDT (årsdøgntrafikk). Ved å interpolere til en ÅDT på 300 (Ytstenesbrua), kan det være snakk om et samfunnsøkonomisk tap på omkring 65 000 kr/døgn. Om strekningen stenges i to måneder for å gjennomføre bygging av ny bro, vil dette tilsvare 3,9 millioner kroner. Det er tre entreprenører som har levert anbud på prosjektet, med følgende sum: 2,8 millioner. eks. mva. 3,6 millioner. eks. mva. 3,25 millioner. eks. mva. Det vil si at samfunnskostnadene er ca. like store som byggekostnadene. Dette betyr at byggekostnaden bare står for halvparten av den totale kostnaden. Da burde det være en tyngre avgjørelse å stenge vegen fremfor å se etter rimeligere løsninger. Det bør være større grad av synlighet over de reelle kostnadene for et prosjekt. 42
7.1 Unngå stengt veg Ved å sammenligne samfunnskostnader og byggekostnader kan det vurderes hvor lenge et prosjekt kan holde vegen stengt. Det kan for eksempel vurderes om vegen kun bør stenges noen timer om dagen, eller om det er aktuelt å stenge vegen i hele byggeperioden? Under følger noen alternativer til stengt veg. Feltbroer 4 En bro som brukes av militæret. Broen kjøres ut på pansrede beltekjøretøy og monteres hurtig. Kan brukes som en midlertidig bro som står ovenfor den gjeldende broen under riving eller bygging. Trafikk kan kjøre som normalt. Et annet alternativ er at broen monteres av og på etter periodevis behov i løpet av dagen, og arbeid på ny konstruksjon kan foregå i mindre trafikkerte tidspunkt på døgnet. Vegfylling på vann 5 Et alternativ kan være å legge vegen i en sløyfe på vannet. Dette er en løsning som finnes bare noen kilometer sør for Ytstenesbrua. Det kan tenkes at dette kan bli dyrt, men det vil avhenge av dybden i vannet der fyllingen skal. Fordelen er at vegstrekningen har muligheten til å gå utenom problemområdet, se Bilde 3. Vegen ligger utenfor rasområdene for å unngå skader fra fremtidige ras. Bilde 2: Feltbro benyttes av forsvaret. Foto: Torgeir Haugaard Ferge I hele regionen rundt Ålesund er man allerede avhengige av fergetrafikk. Siden trafikken som skal over Ytstenesbrua nesten utelukkende er på vei til fergekaia på Festøya, kan det være en løsning å bygge en ny midlertidig fergekai lenger inn i fjorden. Dette vil være et dyrt alternativ. Bilde 3: Vegfylling i vann. Foto: Google Street View Midlertidig tunnel Ved store byggeplasser i bynære strøk omdirigeres gangtrafikk inn i en hul konteiner. Dette tillater at trafikken kan gå mye tettere, eventuelt rett gjennom en byggeplass. Hvis en konteiner kan lages tilstrekkelig stor og ha nok stivhet, kunne trafikken gått som normalt rett igjennom byggeplassen. Dette vil tillate arbeidet å foregå upåvirket av trafikken. 4 Forsvaret, Hæren, Ingeniørbataljonen, sett 18. Mars 2014 http://forsvaret.no/om-forsvaret/organisasjon/haren/avdelinger/brigadenord/sider/ingeniorbataljonen.aspx 5 Google Street View, april 2010, FV65 80, 6174 Barstadvik, Pano ID: 62.275467, 6.420623, https://www.google.no/maps/@62.275347,6.420537,3a,75y,90t/data=!3m4!1e1!3m2!1sk5crhe2pyx1tpbam RzTCig!2e0 43
7.2 Redusert stengetid Må vegen først stenges, er det mulig å se etter alternative byggemetoder som kan redusere byggetiden på anleggsområde. Dette er tiltak for å minimere stengetiden på vegen. Lekter Ved bygging av kulverter eller mindre broer støpes elementene ferdig på fabrikk og fraktes til byggeplassen med lekter. Lekteren kjører helt opp til der broen skal stå og kraner elementene inn på landkarene. Landkarene bør støpes på plassen uansett da disse trenger god fundamentering til grunnen. Dette er antagelig løsningen som kommer til å brukes ved Ytstenesbrua. Elementbygging For nye broer kan det være et alternativ å bygge i elementer. Elementene bør være sterke nok til å bære en redusert last. Må broen erstattes i fremtiden, kan elementene byttes ut del for del, samtidig som en redusert trafikkmengde kan gå over broen. Et konkret eksempel kan være å bygge hvert kjørefelt for seg, slik at et av kjørefeltene alltid er tilgjengelig for trafikk. Hurtigbetong Tiden det tar fra broen er støpt til betongen er tilstrekkelig herdet tar gjerne flere dager. Det er mulig å bruke et tilslag som gjør at betongen herder fortere. Statens vegvesen derimot vil ikke gå god for en slik løsning. Grunnen er at hurtig herding medfører store temperaturforskjeller i betongen. Dette kan føre til oppsprekking, noe som har stor negativ effekt for bestandigheten. Statens vegvesen har lang erfaring med betong som byggematerialet, og bruker sin egen betong B45-SV40. Denne betongen har kjente og forutsigbare egenskaper som hurtigbetong ikke kan måles i mot. 44
8 KONKLUSJON 8.1 Resultatmål Primærmålet til oppgaven var å produsere armeringslister og prinsipptegninger av form og armering. Dette er som regel produktet av jobben til prosjekterende som jobber med betongkonstruksjoner. Som student er det meste av teorien som blir undervist vist med forenklede eksempler. Med denne bacheloroppgaven har gruppen fått jobbe med et prosjekt helt fra begynnelsen. Gruppen har dermed prøvd i praksis hvordan det er å jobbe som ingeniør. Uten noe erfaring fra lignende prosjekter tidligere, er gruppen avhengig av veiledning. Noe prøving og feiling har det vært. Fornuftige tidspunkt for veiledningsmøter har gjort det enkelt å avdekke feil underveis ved kritiske tidspunkter. Tegningene og armeringslistene som er blitt produsert skal være lette å skjønne. Samtidig er utregningene og dimensjoneringen nøye gjennomført. 8.2 Innovasjon/Utvikling/Forskning/Entreprenørskap Det ble bestemt å se på alternative byggemetoder for å korte ned på byggetiden på anleggsområdet. Fordi vegen ikke kan legges om, er vegen nødt til å stenges helt. Gruppen har derfor gjort noen undersøkelser for å estimere kostnadene ved stengt veg. Det viser seg at kostnadene er i samme størrelse som byggeprosjektet selv. Derfor er det også sett på alternativer til stengt veg. Det er ikke gjort noen kostnadsmessige beregninger til disse alternativene. Blir dette gjort, kan det kanskje vise seg at totalsummen for prosjektet blir lavere ved å ha åpen veg. Dette gjelder kanskje ikke for Ytstenesbrua, men mer sannsynlig for veger med høyere ÅDT. 8.3 Effektmål Formålet av oppgaven var å få bedre kunnskap og erfaring i bruken av betong som byggematerialer. Her var det snakk om alt fra bruken av NS-EN 1992-1-1, beregning, plassering og tekniske løsninger ved armering, og nødvendige, fornuftige valg av dimensjoner. Et underliggende mål for gruppen var å sette seg inn i Statens vegvesen sine håndbøker og relevante standarder. Dette måtte gjøres for å kunne løse forskjellige problemstillinger i oppgaven. Fra ekstern veileder fikk gruppen utlevert HB 185: «Bruprosjektering» allerede ved første møte. Den ble brukt til forberedelse til oppgaven, ved at medlemmene fikk en oversikt over regler og krav. Mye tid ble spart ved at dette ble gjort. Norsk Standard er brukt mye gjennom oppgaveskrivingen, som NS-EN 1992-1-1: «Prosjektering av betongkonstruksjoner». Dette har medført økt forståelse for standarden, og bedre oversikt over det som tidligere var litt uklart. Også nye punkter har blitt brukt. Ellers har bachelorgruppen blitt kjent med andre standarder som ikke har vært pensum i løpet av HiST som NS-EN 1992-2: «Bruer», NS-EN 1991-2: «Trafikklast på bruer» og NS-EN 1991-1-5 «Termiske påvirkninger». 45
8.4 Gjennomføring Fra forprosjektet hadde gruppen en svært detaljert tidsplan med beskrivelse av alle oppgavene. Gantt-diagrammet ble brukt til å fordele arbeidsoppgaver. Dette gjorde det enkelt å holde oversikt over hva som var gjort og hva som sto igjen. Oppgavene ble fordelt på deltakerne, ved at hver og en fikk egne ansvarsområder. Den største utfordringen gjennom hele oppgaven var uten tvil modelleringen i STAAD.Pro. Uten mye kunnskaper om bruken av programmet fra før, ble det nødvendig å bruke mye mer tid enn det som var antatt på forhånd. Den statiske modelleringen av broen var ikke vanskelig. Det som krevde mest var oppsettet og påføring av alle lastene. Det var ikke forventet at det skulle bli så mye som 49 forskjellige lastkombinasjoner. Noen utfordringer var også knyttet til avlesing av resultater. Modellen ble delt inn i plater på 100 x 100 mm 2. STAAD.Pro presenterer resultat for hver plate som er lagt inn. Med andre ord ble det enorme mengder data som måtte behandles for å kunne få ut verdier som kunne brukes i dimensjoneringsarbeidet. Platene måtte også kontrolleres. Som nevnt tidligere oppstår det steder med ekstreme verdier. Disse verdiene ble kontrollert og sammenlignet med andre verdier i nærheten. De mest ekstreme verdiene ble forkastet. Dimensjonering av armering gikk veldig bra. Siden det tok lengre tid enn forventet med modelleringen, ble det laget regneark i MathCAD mens modelleringen foregikk, både for beregning av armering og for risskontroll. Dette ble gjort for å spare tid, noe som viste seg å være en riktig avgjørelse. Bachelorgruppen er godt fornøyd med utførelsen av oppgaven. Arbeidsoppgavene har vært mange. Det har vært både lærerikt og gøy, samtidig har det vært utfordrende og vanskelig. Bachelorgruppen har lært mye nytt og fått god erfaring med prosjektarbeid, om hvordan det er å jobbe som konstruktør, om bruken av betong og om brokonstruksjoner. 46
9 REFERANSER OG KILDER 9.1 Håndbøker Statens vegvesen Håndbok 016 Statens vegvesen Håndbok 017 Statens vegvesen Håndbok 018 Statens vegvesen Håndbok 139 Statens vegvesen Håndbok 185 Geoteknikk i vegbygging Veg- og gateutforming Vegbygging Tegningsgrunnlag Bruprosjektering 9.2 Norsk Standard NS-EN-1990:2002+NA:2008 NS-EN 1991-1-1:2002+NA:2008 NS-EN 1991-1-3:2003+NA:2008 NS-EN 1991-1-4:2005+NA:2009 NS-EN 1991-1-5:2003+NA:2008 NS-EN 1991-2:2003+NA:2010 NS-EN 1992-1-1:2004+NA:2008 NS-EN 1992-2:2005+NA:2010 Grunnlag for prosjektering av konstruksjoner Egenvekt og nyttelaster Snølaster Vindlaster Termiske påvirkninger Trafikklast på bruer Prosjektering av betongkonstruksjoner Bruer 9.3 Fagbøker Svein Ivar Sørensen Betongkonstruksjoner Akademika forlag Beregning og dimensjonering etter Eurocode 2 2011 2. Utgave 9.4 Rapporter Bråthen S., Husdal J. og Rekdal J.: «Samfunnsøkonomisk Verdi Av Rassikring». Rap. nr. 0801. Molde: Møreforsking, 2008. ISBN 978-82-7830-124-1. 47
9.5 Bildeliste Bilde 1: Ytstenesbrua etter flomras i 2012... 5 Bilde 3: Feltbro benyttes av forsvaret. Foto: Torgeir Haugaard... 43 Bilde 4: Vegfylling i vann. Foto: Google Street View... 43 9.5.1 Bruk av bilder Bildene som er benyttet er godkjent til bruk, se lenke som fører til nettstedets retningslinjer. Statens vegvesen: Bilder gitt fra oppdragsgiver Google Earth: http://www.google.com/permissions/geoguidelines.html Forsvaret: http://forsvaret.no/bilder-video/forsvaretsmediearkiv/sider/forsvaretsmediearkiv.aspx 9.6 Figurliste Figur 1: Relativ trykksonehøyde... 14 Figur 2: Omfaringslengde av armeringsjern... 16 Figur 3: Plassering av punktlaster, lastmodell 1... 18 Figur 4: Plassering av jevnt fordelt last, lastmodell 1... 18 Figur 5: Plassering av laster, lastmodell 2... 19 Figur 6: Retninger for vindpåvirkninger på bruer... 20 Figur 7: Beskrivelse av temperaturandelene som utgjør en temperaturprofil... 21 Figur 8: Jordtrykk på vegg... 24 Figur 9: Tilfelle med støy i rammehjørnene... 26 Figur 10: Illustrasjon av fundament med armeringsplassering... 31 Figur 11: Sentrisk belastet fundament... 32 Figur 12: Eksentrisk belastet fundament... 32 Figur 13: Illustrasjon av rammehjørne med armeringsplassering... 34 Figur 14: Illustrasjon av vinge... 36 Figur 15: Illustrasjon av brodekke, sett i tverretning... 38 Figur 16: Illustrasjon av riss... 40 Figur 17: Opprisset tverrsnitt, stadium II... 40 48
9.7 Tabelliste Tabell 1: Materialfastheter... 14 Tabell 2: Eksponeringsklasser... 15 Tabell 3: Overdekningskrav... 15 Tabell 4: Dimensjoner... 15 Tabell 5: Egenlaster... 17 Tabell 6: Lastmodell 1... 19 Tabell 7: Lastmodell 2... 19 Tabell 8: Vindlast... 20 Tabell 9: Temperaturlast, overside varmest... 22 Tabell 10: Temperaturlast, underside varmest... 22 Tabell 11: Kryp og svinn... 23 Tabell 12: Jordtrykk... 24 Tabell 13: Resultat analyse fundament... 27 Tabell 14: Resultat analyse vegg/rammehjørne brodekke... 28 Tabell 15: Resultat analyse vegg/innspent vinge... 29 Tabell 16: Resultat analyse midtfelt brodekke... 30 Tabell 17: Armering fundament... 33 Tabell 18: Armering vegg/rammehjørne brodekke... 35 Tabell 19: Armering vegg/innspent vinge... 37 Tabell 20: Armering midtfelt brodekke... 39 Tabell 21: Resultater nedbøyning... 41 49
VEDLEGG A. Artikkel B. Materialfasthet C. Lastberegning D. Dimensjonering E. Kontroller F. Statisk rapport G. Administrasjon H. Prinsipptegninger I. A3-Plakat 50
51
52