Kjemisk beskyttelse - Dimensjonering av bro på E6 over Høytverrelva, i Bardu

Kjemisk beskyttelse av treverk er utført før trevirke er installert i selve konstruksjonen. For at beskyttelsen skal være effektiv må kjemikaliene trenge dypt inn i treverket. Væsker flyter relativt fritt i fiberretningen, men er mye mer begrenset vinkelrett på fiberretningen (Ritter, 1990). Det kreves derfor stort trykk for å oppnå effektiv inntrengning. Beskyttelsesprossessen av limtre i Norge er vanligvis utført ved trykkimpregnering i to omganger. I første omgang blir de enkle lamellene impregnert med et kobber-salt konserveringsmiddel. Etter lamellene er limt sammen og danner en limtrebjelke blir limtreet impregnert med kreosot (Mahnert &

Hundhausen, 2017). Behandling med disse midlene introduserer et giftig konserveringsmiddel til treverkets celler som gjør det uspiselig til råtebakterier. I tillegg til å beskytte mot råte, beskytter kreosot mot værslitasje, og retarderer krymping og svelling fra endringer i den

relative fuktigheten (Ritter, 1990). Effektiviteten av kjemisk beskyttelse er i stor grad avhengig av standardisert og riktig impregneringsprosess.

Behandling av treverk med kreosot er ulovlig i blant annet Sverige grunnet helse- og miljøskadelighet. Det vurderes også forbudt i EU, men er foreløpig lovlig i Norge og det er derfor foreløpig mulig å bygge bruer med lang levetid med denne beskyttelsesmetoden. I følge N400 skal impregneringsmidler være godkjent av Nordisk Trebeskyttelsesråd før de brukes på bruer. N400 nevner at kreosotimpregnering skal kun utføres etter bearbeiding av trevirket er ferdigstilt. Det skal også legges til rette for at eventuelle blødning av kreosoten fanges opp. Det finnes andre preserveringsmidler som pentachlorphenol- og arsenicinnholdige midler, men kreosot og kobber-salt er de som brukes som standard impregneringsmiddel i Norden (Statens vegvesen, 2017).

10 Kostnader av trebru

Et viktig moment for at trebruer igjen kan bli aktuelle er at de er kostnadsmessig

konkurransedyktig med stål og betong. Erfaringer og studier fra Norden, Europa og Amerika har vist at når man utnytter trevirkets sterke sider kan trebruer i tillegg til å være estetisk tiltrekkende og miljøvennlige, også være økonomisk lønnsomme.

Statens vegvesen’s rapport om trebruer fra 2017 nevner typer bru og bruspenn der det har vist seg fra erfaringer å være mest økonomisk konkurransedyktig å bygge med tre.

- skogsbilveier eller sekundære veier med spennvidde 10 -15 m.

- mindre bruer for eksempel veg- og jernbaneoverganger med spennvide 25 - 40 m.

- for større veier over elv eller vann med spennvidde inntil 70 - 80 m.

En klar fordel for trebruer med tanke på kostnad er at de krever kortere bygge- og montasjetid enn konvensjonelle stål- og betongbruer. Dette er fordelaktig da omlegging av trafikk kan være dyrt og upopulært hos trafikanter.

For at man skal kunne utnytte fordelene av kort byggetid og lavere vedlikeholdskostnader bør det benyttes så lite forbindelser som mulig. Bruer med mange og kompliserte forbindelser som fagverksbruer kan bli svært dyre sammenlignet med enklere bue- og

bjelkekonstruksjoner.

11 Resultat og Diskusjon 11.1 Samarbeid

Oppgaven har vært preget av diskusjoner innad gruppen om å finne løsninger på hindringer som man har støtt på. Det er grunnleggende å ha forståelse om oppgaven som skal løses, og problemstillingens natur for å kunne svare godt og gi gode innspill. Gruppen består av medlemmer med blandede etnisiteter, og til tider har språk vist seg å være en hindring som kan skape misforståelse og forvirring mellom medlemmene. Dette gjør det viktig å ha kontroll og vise forståelse for fagene som inngår i oppgaven, så det er lettere å kommunisere via faget som felles språk. Det er også viktig å være åpensinnet for løsninger, og ikke låse seg fast i en retning som er ineffektiv eller unødig komplisert, og vurdere andre løsninger med resten av gruppen for å få verdifulle innspill og se løsninger man ellers ikke ville sett. Men det er ikke mulig for alle gruppemedlemmene å ha fullt innsyn i hvordan og hva de andre medlemmene jobber med til enhver tid, og derfor blir det detaljer som går tapt i løpet av prosessen, og valg som tas uten hele gruppens kjennskap. I like stor grad som at det er viktig å diskutere valg, er det viktig å vise selvstendighet, og kunne ta valg som er godt begrunnet på egenhånd.

Gruppen har møttes jevnt gjennom hele sjette semester, våren 2018. Mot innleveringsfristen har frekvensen av møter økt, og det jobbes i flere timer av gangen i løpet av et møtet, med mye diskusjon og samarbeid. Fremgangen i prosjektet ble noe forsinket i forhold til den originale fremdriftsplanen, men det er vanskelig å se for seg hvor lang tid hver oppgave innenfor prosjektets rammer vil ta å gjennomføre, ettersom dette krever erfaring for å presisere nøyaktig, noe gruppen mangler. Små hindringer som brukergrensesnitt, eller standarder som er dårlig formulert, kan sette en stopp i fremgangen og ta unødig lang tid å løse eller finne en vei rundt.

Nettopp grunnet dette har det vært viktig å ha kontakt med de forskjellige faglærerne og veilederne på universitetet, og veilederne fra SVV. Kunnskapen og erfaringen disse personene innehaver har vist seg å være uvurderlige for gruppen og for å få den nødvendige fremgangen som kreves for å løse de forskjellige problemstillingene. Dessverre har det vært vanskelig å oppdrive kompetent personell med nok kunnskaper om limtre og bruken av det i

brokonstruksjoner. Verken veilederne i SVV eller veilederne for gruppen på OsloMet universitetet har utdypende kjennskap til limtre og dets egenskaper, og hvordan man skal gjennomføre beregninger ut ifra standarden NS-EN 1995. Det er én faglærer på fakultetet som har spissede kunnskaper om trekonstruksjoner, universitetslektor Hans Petter Hoel, men han

har vært utilgjengelig store deler av semesteret, og gruppen har derfor måtte finne informasjon via faglitteratur og tidligere forelesninger. Dette har gjort deler av fremgangen i beregningene gjennomført med noe usikkerhet, men gruppen mener å inneha såpass kompetanse innenfor feltet at man kan stå inne for resultatene av beregningene. Gruppen var klar over at det var mangel på kompetanse om trekonstrukjoner tilgjengelig, men gruppen var bestemt på å gjennomføre dette prosjektet med limtre, tross utfordringene dette medførte.

11.2 Forutsetninger, oppgaveteksten, Begrensninger

For å unngå å jobbe seg i hjel, og få en unødig stor bacheloroppgave, har gruppen valgt å gjøre noen begrensninger av omfanget av problemstillingen. Disse valgene er tatt med bakgrunn i manglende kompetanse til å utføre nødvendige beregninger og kvalifiserte

beslutninger for disse områdene, og for å lette arbeidslasten. Problemstillingen gitt av SVV er i utgangspunktet en stor oppgave om man skal ta hensyn til alle punktene som tas opp som løsninger man skal ta i betraktning. Det som ikke kommer frem i problemstillingen er

samtalene med veilederne fra SVV, og hvilken hensikt de hadde med oppgaven. SVV ville at gruppen skulle fokusere på et fagområde de selv syntes virket interessant, så oppgaven ville bli motiverende å jobbe med. Grunnet dette har ikke oppgaven innfridd alle kravene som stilles av problemstillingen, men vil like fullt oppfylle kravene satt av SVV.

Gruppen har valgt å se bort fra geotekniske kontroller fordi det er mulig å dimensjonere et fundament som har stor nok arealflate mot bunnen til å ikke gi brudd i grunnen. Om dette viser seg å være krevende, kan det pæles til fjell i tillegg for å redusere faren for setninger i grunnen. Det er også valgt å se bort fra å dimensjonere fundament ettersom grunnleggende kontroller viser at det ikke vil bli brudd eller skader i betongkvalitet B35 ved opplagerne til bjelkene. Gruppen har heller ikke kompetanse eller kunnskaper nok til å gjøre en gjennomført dimensjonering av fundamenter av denne størrelsesordenen, både med tanke manglende evner til å tolke en geoteknisk rapport, mangel på riktig kompetanse, og tiden som kreves for å gjennomføre slike beregninger med detaljløsninger.

Noen detaljer som slisse- og hullplater har ikke blitt dimensjonert fordi man har antatt at det kan fremstilles en passende dimensjon av disse uten at det går utover modellens oppbygning og øvrige kapasiteter, samt at det har vært krevende å finne standarder som dekker disse områdene nøye nok.

Det er valg å se bort ifra noen lasttilfeller, som seismiske laster og ulykkeslaster. Det foregår relativt lite seismisk aktivitet i Norge, så det er innenfor rimelighetens grenser å se bort ifra

dette. Ulykkeslaster er sett bort ifra ettersom mange av tilfellene der det kunne vært aktuelt ikke gjelder, eller er sett bort ifra i andre sammenhenger. Snølast er definert ut ifra SVV’s håndbok N400 som en last som ikke er aktuellvå dimensjoneres for en brokonstruksjon, grunnet at den vil brøytes vekk når broen er i drift.

En kostnadsanalyse skulle gjennomføres om det ble tid til det, men det ble verken tid eller mulighet til å følge det opp. Det har vist seg å være vanskelig å oppdrive priser på forskjellige produkter og materialer, og det har ikke lykkes å finne spesifikke produkter som skal inngå i detaljer. Det ble gjort et forsøk på å kontakte Moelven for pris på limtreprodukter for å få et overslag på prisen, men det gikk lang tid før det ble oppnådd kontakt, og selv da kom ikke pris inn i bildet. Det er også vanskelig å estimere hvor lang tid det vil ta å gjennomføre byggefasen, ettersom gruppen mangler erfaringen og innsynet i lignende prosjekter for å kunne gi en realistisk og godt begrunnet analyse. Gruppen kan heller ikke anslå hvor stort mannskap og antall timer som trengs for å gjennomføre prosjektet, og hvor mye dette eventuelt vil kostet.

11.3 Valg av materiale og konstruksjonsprinsipp

Valg av materiale er det viktigste valget for utformingen av oppgaven. Det ville vært lettere å velge et materiale som betong eller stål, fordi det er mye informasjon og kompetanse

tilgjengelig på disse områdene hvis man vil dimensjonere en bro i disse materialene. Gruppen ville lage en bro i limtre fordi det er en voksende trend å bruke dette materialet innen bygg og konstruksjoner. Denne trenden ser man over hele verden, som ved at i løpet av de siste årene har tittelen for verdens høyeste trehus skiftet eier flere ganger, og det ser ut til at det vil bytte igjen i nær fremtid med Mjøsatårnet som vil stå ferdig i 2019 (Garathun, 2018). Denne trenden i å bygge miljøvennlig kommer blant annet av Det grønne skiftet, et tiltak regjeringen har satt i gang for å redusere klimaavtrykket fra samfunnet (Regjeringen.no, 2018).

Gruppen håper også at dette valget vil slå positivt ut i vurderingen, ettersom det er færre bacheloroppgaver med limtre som materiale. Det er et spennende materiale som vil bli mer aktuelt i fremover, og gruppen håper å være frempå denne utviklingen.

Gruppen ønsket å unngå støttepunkter som settes ned i elven, og måtte derfor ha ett spenn.

Dette var en utfordring gruppen satte for seg selv, og dette har vært med på å avgjøre valg av brotype og dimensjoner på konstruksjonsdelene. Det var også et ønske om å ha en estetisk tiltalende bro, og som et resultat av disse kravene falt valget på en buebro. Designet ble funnet på internett via google-søk, som førte til Nordic Structures sitt design.

11.4 Metode

Valget av metode kommer naturlig av problemstillingen og oppgavens omfang. Ved en dimensjonering vil det være naturlig å finne informasjon på forhånd om aktuelle

byggeteknikker og metoder i form av et litteraturstudie, om ikke problemstillingen definerer spesifikt hvordan oppgaven skal utføres. Dette prosjektet er en blandet metode, der det benyttes flere forskjellige metoder for å skaffe og legge frem informasjon.

11.5 Modell

Designet på broen er hentet fra Nordic Structures, avdeling for Massive Timber Bridges. Dette er et Kanadisk leverandør og byggherre med fokus på produksjon av bygg og konstruksjoner av massivtre. Broen er ikke dimensjonert av Nordic Structures, dette ble gjort av en ekstern konsulent, men Nordic Structures lagde designet for broen.

Det er ført opp en modell i RSA av broen som er dimensjonert. Formålet med å lage en modell i RSA er å gjøre det mulig å se hvordan laster oppfører seg og fordeler seg i broen.

Modellen og lastsituasjonene den er utsatt for har gitt reaksjoner som fungerer som

utgangspunkt for flere kapasitetsberegninger, derfor er det antatt at beregningene som gjøres i RSA er realistiske, selv om disse bør kontrolleres for hånd ved numerisk metode for å sikre at verdiene stemmer overens med kjent teori.

Det har vært utfordringer ved brukergrensesnittet i RSA for å få modellen til å oppføre seg realistisk. Blant annet å overføre krefter på en realistisk måte har vist seg å være et hodebry som har krevd kreative løsninger, og mye prøving og feiling. Det er manglende kompetanse på fakultetet i bruk av RSA og dets brukergrensesnitt, og derfor har det vært mange

diskusjoner med de interne veilederne om teorien rundt oppbyggingen av modellen og hvordan den skal gjennomføres i RSA. Å få modellen til å overføre krefter ble forsøkt gjort med innebygde metoder, som Rigid Link, og Pinned-Pinned-metoden. Rigid link kan kun brukes i en forenklet modell, og i den globale modellen må et fiktivt materiale, kalt mat2, brukes for å overføre krefter på en måte Rigid Link egentlig skulle sørge for. Det fiktive materialet har tilnærmet uendelig høy stivhet, og lav vekt, og skal fungere som en forbinder som overfører skjærkrefter uten deformasjoner i forbinderens materiale.

SVV har delt plantegningene for broen som er oppført høsten 2017, og mange av

dimensjonene som er oppgitt i disse planene har lagt grunnlaget for hvordan broen i denne oppgaven er prosjektert. Gruppen har basert seg i stor grad på disse tegningene med tanke på mål av broen, og utforming av veien. Dette har lettet arbeidsmengden, og gitt gruppen et godt

utgangspunkt å basere beregninger på, men det kan muligens argumenteres for at dette er grunnarbeid som burde inngått i gruppens egen prosjekteringsprosess.

11.6 Dimensjonering

Bjelkene startet med en dimensjon på 240x800. Høyden ble valgt vilkårlig, men bredden ble valgt i utgangspunkt i at dette er største bredden man kan forvente å få limtrebjelker levert i.

Høyden måtte økes etter hvert som prosjektet gikk fremover for å takle momentene og

skjærkreftene som oppstår, og endte opp på 950 mm. Bjelken må deles i tre deler for å nå over hele spennet, og gi buene en hel gjennomgående bjelke å festes imot ved punktet der bue og bjelke møtes. Største lengde som kan lages på limtrefabrikk er 32 meter, mens spennet over elven blir omtrent 40 meter. Det var uaktuelt å dele bjelken i to, ettersom broen ville blitt som to halve deler som møtes på midten. Dette vil gi mindre stabilitet, og kan gi oppsprekkinger i asfalten og brobanen over. Siden bjelken deles i tre, skal den skjøtes med stålplater på hver side av laskeskjøten. Et alternativ kunne vært å skjøte bjelkene med en omfaringsskjøt på en slik måte at bjelkene skifter referanseakse, og ligger vertikalt over buene. Dette kunne gitt en god mulighet til å plassere trykkstavene imellom både bjelkene og buene, og unngå bruk av stålplater som festemiddel. Trykkstavene kunne også da fungert som et materiale som forbinder bjelkene sammen ytterligere i enda et punkt, i samme plan som ved overlappingen mellom buer og bjelker i midten.

Buene ble bestemt til å være i form av en sirkelbue, og ikke en parabel. En sirkelbue er enklere å montere og konstruere, mens i en parabelbue vil det oppstå mindre momenter (Larsen P. K., 2008). Begge alternativer er aktuelle, og man kan argumentere for bruken for begge i denne brokonstruksjonen, men for enkelhetens skyld valge gruppen å dimensjonere med en sirkelbue. Buens tverrsnitt er i samme høyde og bredde som bjelkene. Høyden var viktig å få i samme dimensjon for å få så stor kontaktflate mellom buene og bjelkene som mulig. Bredden er basert på den største tilgjengelige bredden limtrefabrikker kan lage.

Trykkstavene har blitt plassert basert på hvordan momenter fordeler seg i en bjelke med tre og fem opplagere. Originalt var det ikke planlagt å dimensjonere med trykkstaver i

konstruksjonen, men det ble klart at spennet mellom fundament og bue-bjelke-forbindelsen ble for stor. Plassering av trykkstaven ble funnet ved bruk av iterasjon, samt at man har tatt utgangspunkt i momentfordelingen i en bjelke med fem opplagere, og hvordan momentene fordeler seg i bjelken. Der de største momentene oppstår er det aktuelt å plassere en trykkstav.

Det er 4 trykkstaver i spennet, flettet inn i konstruksjonen fra underkanten av

horisontalbjelkene, ned mellom buebjelkene. Disse står normalt på buene for å gi mest

effektive overføring av lastene. Fordi de står normalt på buen, går de ut fra horisontalbjelken i en vinkel, som er forskjellig for hver av de to stavene grunnet buens kurvatur.

Dekke har vært en utfordring å kontrollere. I lang tid var det antatt at den største tilgjengelige dimensjonen for et dekke av konstruksjonsvirke av kvalitet C24 kom til å tilfredsstille kravene som er satt av N400, men det viste seg at høyden ville bli for lav. Derfor brukes det et dekke av limtre med kvalitet GL 24c og høyde 400 mm for å oppnå tilstrekkelig kapasitet mot bøying of trykk. Dette ble oppdaget sent i prosessen, og derfor er beregningene utført med et tredekke i konstruksjonsvirke med kvalitet C24, og høyde 223 mm.

Dekket sitt formål er å gi en overflate uten glipper som fordeler krefter som veibanen utsettes for. Bjelkene og buene kunne fungert som bæresystem og dekke, men dette øker faren for at det oppstår glidninger mellom buer og bjelker, og det er store glipper mellom

horisontalbjelkelaget som ikke gir støtte til den myke og seige asfalten. Det vil kunne oppstå mange små deformasjoner og sprekker i asfalten, og muligens gjør veien i broen ubrukelig etter veldig kort tid.

Veibanen er hentet direkte ut fra informasjon og plantegninger gitt av SVV. Veibanen skal ikke endre geometri mellom veien over grunnen til veien over broen, og derfor må det tilpasses slik at broen ikke endrer sammensetningen så veien blir lik hele veien.

11.7 Design (styrker og svakheter)

Gruppen har valgt en bro som skal gjenspeile våre ambisjoner om å utfordre oss selv.

Gruppen valgte derfor et design og materiale som ikke var gjort før, for å vise våre

kunnskaper og kompetanse. Når det er sagt, er ikke alle valgene som er gjort i dette prosjektet riktige i forhold til brostedet. Dette vil bli drøftet i dette avsnittet.

11.7.1 Styrker

Broen er laget av limtre, og fordelene ved dette har blitt drøftet noe tidligere i oppgaven. I det hele anses dette som et meget positivt trekk ved broen. Den store relative styrken og

motstanden mot utmatting, og det minimale miljøavtrykket gjør materialvalget meget egnet for bruk i broen.

Broen blir mer resistent mot salter fra veien som den vil bli utsatt for ved vinterstid, i motsetning til et betongdekke eller bæringer av stål som vil bli utsatt for klorider og

korrosjon. Dette var også en fordel ved å bruke treverk i stedet for betong eller stål i broen, ettersom treverk ikke påvirkes av salt.

Måten broen er satt sammen på gjør at skader eller slitasje på deler av bæresystemet blir relativt lette å fikse og erstatte. Disse egenskapene har ikke betong, og kan også være vanskelig å gjennomføre for stål. Broen er montert sammen med spennkabler gjennom bjelkene, og dermed er det bare å demontere den fra hverandre dersom deler av broen skal erstattes. Det vil kreve visse støttekonstruksjoner for å holde broen oppe under arbeidet, men det vil ikke kreve den samme mengden av arbeid og ressurser som ved skader på betongbroer krever, samt at resultatet vil bli bedre.

En buebro gir gode bæreevner i forhold til mengden materialer brukt. Måten buene og

bjelkene ligger flettet sammen gir broen en god stivhet som øker resistansen mot svingninger og resonans, og fordeler krefter i brobanen. Nordic Structures kan opplyse om at en slik konstruksjon kan stå opptil 500 år med de strenge Skandinaviske dimensjoneringskravene.

Gruppen lot seg inspirere av Kjøllsæterbrua, kjent som verdens sterkeste trebru (Seehusen, 2018). Denne broen er dimensjonert for å ta en full militær last. Broen over Høytverrelva vil

In document Dimensjonering av bro på E6 over Høytverrelva, i Bardu (sider 78-0)