I denne oppgaven blir det benyttet en blanding av vitenskapelige metoder. Det vil bli brukt kvantitative og kvalitative metoder, samt Research by Design. I den første delen av oppgaven benyttes det kvalitative metoder for å utføre et litteraturstudium. Målet med litteraturstudiet er å utforske mulige brutyper og materialer som kan være aktuelle for oppgaven. Aktuell
faglitteratur vil bli benyttet samt Statens vegvesens håndbøker og Norsk Standard.
5
2 Materialer og konstruksjonsprinsipper 2.1 Treverk
Treverk er et estetisk tiltalende materiale med god bæreevne i forhold til vekten, og er lett tilgjengelig. Det kan formes og behandles til den grad at det kan bære i flere år uten å miste evnen til å ta laster og motstå vær og vind. Generelt er treverk ansett som brannfarlig, men beholder fortsatt sin bæreevne i delen av tverrsnittet som ikke er forkullet, og forkullingen bremser videre forkulling. Derfor har treverk en viss motstand mot brann, og kan oppfylle krav til branndimensjonering.
2.1.1 Konstruksjonsvirke
Konstruksjonsvirke er laget av heltre, kuttet ut fra trestammer i ønskede profiler.
Konstruksjonsvirke er generelt ikke brukt som hovedbærere i bro, men med nok støttepunkter underveis i spennet vil man kunne lage en bro av enkelt treverk. For mer ambisiøse prosjekter bør man derfor se mot limtre som materiale. Konstruksjonsvirket kan brukes i brodekket for å fordele krefter fra vegbanen over på hovedbærersystemet via et spennlaminert tredekke.
2.1.2 Limtre
Limtrekonstruksjoner lages ved å lime mindre tredeler sammen for å oppnå større og sterkere konstruksjoner. Man kan bruke materialer som har mindre kapasitet sammen med andre materialer som har større, for å oppnå en konstruksjon som til slutt har større kapasitet enn den sterkeste individuelle delen. Dette er kjent som kombinert limtre, og denne metoden fører til at man bruker materialer som ellers kanskje ville vært kastet, eller som generelt hadde vært uønsket i en konstruksjon, og er derfor mer miljøeffektivt (Ramage , et al., 2017). Man gir treverket et større potensial ved å la delene virke sammen.
Limtre har større styrke og stivhet enn vanlig konstruksjonsvirke av samme dimensjon, og bedre styrke i forhold til vekt enn stål. Disse egenskapene gjør limtre egnet til å ta store laster og brukes i store spenn der vanlig trevirke ikke har kunnet gi et tilfredsstillende resultat. Når limtreet utsettes for klimapåkjenninger og temperaturforskjeller, vil den høye formstivheten hindre treverket i å endre form og tverrsnitt og oppføre seg veldig stabilt (Norsk
Limtreprodusents Forening, 2015).
Miljøet er også en viktig faktor med tanke på hvor mye utslipp byggeindustrien står for.
Treverk og dets karbon er allerede en del av CO2-kretsløpet, og å bruke det i byggverk gjør at det fungerer som et slags CO2-lager som har en nøytral effekt på drivhuseffekten
(Sandanayake, Lokuge, Zhang, Setunge, & Thushar, 2019). Treverk krever også minimal
6
miljøskadelig behandling, og vokser frem på nytt igjen, som gjør det til en fornybar materialkilde. Treverk er mest miljøvennlig i bygg og konstruksjoner der man utnytter egenskapene og styrkene det har over stål og betong, som å kunne ta store spenn, og være enkelt å forme og tilpasse (Norsk Limtreprodusents Forening, 2015).
Limtre ble introdusert i Norge og deler av Norden av ingeniøren Guttorm Brekke sent på 1910-tallet. Etter at første verdenskrig var over, ble stål et regjerende byggemateriale, og fabrikkene Brekke startet fikk få oppdrag. I en stund var det ikke fabrikker som produserte limtre i Norge, til Splitkon og Moelven startet opp fabrikker i hhv. 1958 og 1959. Siden den gang har det vært kontinuerlig produksjon av limtre i Norge, og fokuset på dette som
byggemateriale har økt grunnet miljøgevinstene dette har, og de estetiske og statiske fordelene.
2.2 Betong
Betong er det meste brukte byggematerialet i verden i dag. Den store trykkapasiteten og mulighetene til å ta store spenn ved å legge til armeringsjern gjør at betong har mange bruksområder. Betong brukes i alt fra kontorbygg og boliger, til broer og demninger. Betong har en massiv styrke som gjør at den er svært egnet til å ta store laster, og brukes derfor mye i større konstruksjoner som høyhus og broer. Betong er også veldig tungt og oppfører seg som et “dødt” materiale, og dette gir stabile bygg med tanke på trykket det gir nedover som gir motstanden mot svingninger fra vind og andre laster, i tillegg til at svingninger dempes.
Betong er en blanding av vann og sement, som også er tilsatt tilslag som sand og stein, og tilsetningsstoffer. Vann reagerer med sementen og danner et reaksjonsprodukt som fungerer som et lim mellom tilslaget. Tilsettningsstoffer (f.eks. filler, silikastøv, plastiserende, o.l) kan brukes for å gi betongen ønskede egenskaper. Tilslaget som tilsettes, som sand og grus, bør være velgradert (riktig fordeling av kornstørrelser). Ulike sammensetninger av delmaterialene til betong kan endre forskjellige egenskaper og forbedrer betongkvalitet.
Betong er utsatt for korrosjonsskader ved kloridinntrengninger og karbonatisering av selve betongen. Armeringen i betongen vil oksidere og få en volumøkning som sprenger opp betongen, som igjen eksponerer mer stål til korrosjon, i tillegg til å sprenge vekk betong som stålet skal overføre krefter til. Armeringsjernet vil etterhvert miste sin bærende evne på grunn av korrosjon på overflaten som gir et mindre bærende tverrsnitt. Dette er skader det er
vanskelig å rette opp i, og som kan føre til dyre og krevende løsninger. Før man innså hvor viktig det var med god overdekning på armeringen, ble mye arbeid med støping og plassering
7
av armering gjort med såpass dårlig utførelse at mange bygg i dag må rives eller behandles veldig tidlig i livsløpet i forhold til det konstruksjonene skal være dimensjonert for.
2.2.1 Spennarmert betong
Det finnes to typer spennarmert betong; føroppspent og etteroppspent. Føroppspent betong har lik oppbygning som typisk slakkarmert betong, men armeringen settes i spenn i en rigg, og når betongen har herdet rundt spennkablene, slippes de og gir et trykk mot betongen som jobber mot strekket som skapes av momentet delen utsettes for.
Etteroppspent betong er betongkonstruksjoner der det lages en kanal som en kabel kan føres gjennom og spennes opp etter at herdingen har funnet sted. Dette gir et eksentrisk trykk i betongen som virker mot strekk som oppstår i betongelementet.
2.3 Stål
Utviklingen av stål som byggemateriale har gitt muligheten til å bygge mer krevende konstruksjoner. Stålets høye flytespenning muliggjør slanke, stive og relativt lette
konstruksjoner. Konstruksjonsstål spesifiseres basert på fasthetsklasse og stålkvalitet. Den kjemiske sammensetningen av stålet har stor betydning for dens endelige egenskaper. NS-EN 10025 regulerer de metallurgiske og mekaniske egenskapene til konstruksjonsstål. Maksimalt karboninnhold i alle konstruksjonsstål er satt til 0,17-0,20%, og med legeringselementene kobber, krom og nikkel kan man øke stålets motstand mot korrosjon. Andre
legeringselementer som for eksempel mangan og silisium øker stålets fasthet og hardhet (Larsen, 2010).
Å lage konstruksjoner av stål er begrenset av materialets varmeledningsevne som er uegnet til å isolere, og mengden som trengs for å fullføre en konstruksjon. Stål er heller ikke egnet for brann, da det mister sin bæreevne når den når en temperatur på 400 ⁰C. Stål er også utsatt for korrosjon, da det ikke er vanlig å lage korrosjonsresistente legeringer til bruk i bygg, med mindre det er helt spesielle og mindre deler det er snakk om. Det er mulig å gjøre tiltak som beskytter stål mot korrosjon etter montering, men dersom tiltakene utføres på byggeplass er stålet følsomt for manglende utførelse som gjør det sårbart for rust, tross at tiltak er
gjennomført (Larsen, 2010).
Det er ikke aktuelt å dimensjonere broer med ferdigvalsede profiler som hovedbærende elementer, da disse er for små til å ta lastene som kreves, og vil bli for tunge, som fører til veldig stor nedbøyning ved større spenn. Ved broer som skal lages av stål er det aktuelt å bruke platebærere.
8
Platebærere er enten laget på fabrikk, eller plassveiset. Hvis man kan få profilene sveiset på fabrikk kan de primes mot fukt- og saltinntrengninger, som gir en større motstand mot korrosjon enn om det samme tiltaket skulle blitt utført på byggeplass. Sveising på
byggeplassen gjør det vanskelig å beskytte metallet mot vannskader og korrosjon, og det er derfor uønsket å gjennomføre plassveising av platebærere. Platebærere er satt sammen av sveisede metallplater i form av et I-tversnitt eller H-tverrsnitt. Dette tillater at man kan lage store nok dimensjoner som trengs for å ta de dimensjonerende lastene. Disse konstruksjonene er følsomme for vipping, knekking og trosjon, og derfor må platebærerne dimensjoneres og kontrolleres for dette ihht. NS-EN 1993-1-1.
2.4 Brotyper
2.4.1 Fagverksbro
Bæresystemet til en fagverskbro består av staver som tar vekselvis trykk og strekk. Denne typen bro er relativt enkel å montere, og kan strekkes over meget lange spenn på et materialeffektivt vis. Brotypen ble opprinnelig laget i tre, men etterhvert som behovet for lengre spenn økte, begynte man med jern og stål som materialer. I dag ligger fokuset på treverk igjen ettersom det har store miljøgevinster og kan ta relativt store laster. Betong er relativt uaktuelt å bruke som
materiale på grunn av betongens manglende evne til å ta strekkrefter og den høye egenvekten til betong, men det finnes eksempler på fagverksbroer utført i betong.
Alle fagverk har fellestrekk at de ytre komponentene, kjent som overgurt og undergurt, tar de største kreftene samt indre komponenter, altså diagonale og vertikale staver, også tar strekk og trykk. Fagverket ligger enten over eller under kjørebanen. Hensikten med å legge fagverket under kjørebanen er at det da blir mer beskyttet mot ulykkessituasjoner, eller
miljøeksponering (Bell, 2017). Dette kan være spesielt gunstig hvis tre er brukt som
byggematerialet. Vanlig fagverkskonstuksjoner har to fagverk, ett på hver side av dekke som støttes enten av tverrbærere i stål eller et tverrgående fagverk.
Figur 1 Fagverksbro (hentet fra ardp.net/hastings_bridge_01.jpg)
9 2.4.2 Buebro
En buebro er en type
brokonstruksjon der en form for bue er den bærende delen av konstruksjonen.
Konstruksjonsprinsippet kan blandes med andre metoder, som med fagverk, eller henge opp brobanen med kabler, som ved en hengebro. Prinsippet for buebroer ble til etter at man trengte måter å få større spenn med stein som
byggemateriale. Stein, på lik linje med betong, har lav strekkapasitet sammenlignet med trykk. En bue satt sammen av steiner i form av en bue vil overføre kreftene fra brobanen via aksialt trykk ned mot grunnen. Dette gjorde lengre spenn med steiner mulig, som romernes akvadukter og middelalderens hvelvbuebroer.
Buene kan lages av de vanligste materialene som brukes i bygg i dag; treverk, betong og stål.
Siden disse er nærmest homogene materialer, som ikke må settes sammen av mindre deler som ved steinbuebro, så kan man plassere buen i forhold til vegbanen slik at det passer terrenget bedre. Buene kan ligge under vegbanen, delvis over eller helt over vegbanen, og valget bør gjøres med tanke på hvor brostedet ligger, hvordan naturen er i området og hvor stort spenn man skal over.
Hvelvbuebro
Hvelvbuebro er en avart av buebro, der buen er satt sammen av steiner, hvelv, som presser mot hverandre med aksiale krefter i form av en bue og fordeler krefter utover til
støttepunktene. Steinene kan hvile mot hverandre, eller holdes ytterligere på plass med mørtel, og vekten over buen holder buen sterkere sammen. Dette gjør at trykket steinene tåler blir avgjørende for kapasiteten broen har.
Figur 2 Buebro (hentet fra
https://www.opplevalvdal.no/images/opplevelser/SteienBru/steienbru-ingress-ingeborgbang.jpg )
10 2.4.3 Bjelkebro
Bjelkebro er den enkleste brotypen, både i utførelse og design. Brobanen hviler på bjelker som igjen støttes opp av pilarer med jevne
støttepunkter. Siden denne brotypen mangler et
kontinuerlig støttesystem, er det begrenset hvor langt spennet mellom
støttepunkter kan være, og hvor store laster man kan forvente at broen skal bære i forhold til andre broprinsipper. Bjelkene kan utføres av alle de tre mest brukte byggematerialene, tre, stål og betong.
2.4.4 Kassebro
En kassebro er veldig lik en bjelkebro, men bjelkekomponenten som veibanen skal hvile på er formet som en hul kasse. Tverrsnittet til denne kassen er gjerne firkantet eller trapes-formet, og kan lages av stål, betong eller et samvirke av disse. Hulrommet kan igjen fylles med støtteelementer for å gjøre kassen sterkere, som ved å legge inn bjelker som fungerer sammen med tverrsnittet. Selv om kassen gir broen større styrke, må broen fortsatt hvile på pilarer jevnlig for å nå over større spenn.
2.4.5 Hengebro
Hengebro er en av de eldste broprinsippene for lengre spenn der en simpel trestamme ikke ville være lang nok til å strekke over et spenn man skulle krysse.
Prinsippet er at man skal føre tau eller kabler over spennet og bruke disse til å bære brobanen man skal krysse.
Mange av de største broene i
Figur 3 Bjelkebro (hentet fra
https://no.wikipedia.org/wiki/Bjelkebro#/media/File:Btd_kvelluren_bro1.jpg)
Figur 4 Hengebro (hentet fra
https://no.wikipedia.org/wiki/Hardangerbrua#/media/File:Hardangerbrua_
(15028061131).png)
11
verden i dag følger dette prinsippet, der man bruker stålkabler med store tverrsnitt som bærer utrolige laster. Det er viktig med god fundamentering for å forankre kablene i hver ende av broen, ettersom kablene hviler over fundamenttårn i hver ende av broen og utover i spennet om det trengs. Disse tårnene er gjerne høye, og er kun egnet til å ta store vertikale krefter grunnet den store knekklengden som gjør tårnene skjøre for krevende horisontale krefter.
Dersom kablene skulle blitt forankret i tårnene alene hadde tårnene måttet bli dimensjonert til å ta store horisontale laster. Derfor forankres kablene forbi endetårnene så man unngår at horisontale krefter virker på tårnene.
Kablene som henger mellom tårnene har mindre kabler som henger vertikalt ned med jevne mellomrom og binder hovedkabelen med brodekket. Den jevne fordelingen av vertikale kabler gir hovedkabelen en jevn bue. Støttepunktene til hovedkabelen får ingen horisontal kraftoverføring, og tar derfor bare de vertikale kreftene fra brobanen. Kablene er i grunn kun egnet til å ta strekkrefter, men grunnet at hovedkablene er spent mellom fundamenter kan de også ta normalkrefter som virker på dem fra de vertikale kablene.
2.4.6 Skråstagbro
En skråstagbro kan minne om en hengebro, men i stedet for at man har en hovedkabel som bærer mindre kabler, så spenner kablene direkte ut fra tårn og skrått i brodekket. Disse kablene kan forankres i stød grunn, eller man kan unngå å forankre og heller feste kablene tilbake i brodekket igjen om tårnene står litt ute i spennet. Det finnes en del forskjellige
metoder å føre kablene ut og forankre dem på.
Tårnene vil hovedsakelig bære en vertikal last,
og tiltak må gjøres for å ta horisontale laster som kan bli for store for de slanke tårnene.
2.5 Valg av materiale og brotype
Det er flere grunner til at gruppen landet på en bro av limtre. Gruppen ønsket en oppgave som krevde at man ikke kunne direkte kopiere fremgangsmåten til tidligere oppgaver. Flere av de tidligere oppgavene med bro var gjort med betong eller stål, og det virket som en større
utfordring å lage en bro av treverk, siden det ikke var gjort en oppgave med det. Gruppen ville bane vei for fremtidige bacheloroppgaver som kanskje vurderer å begi seg ut på å lage broer av limtre, eller andre treprodukter, for å sette lys på mulighetene fremtidige broprosjekter kan
Figur 5 Skråstagbro (hentet fra
https://en.wikipedia.org/wiki/Skarnsund_Bridge#/media/
File:Skarnsundbrua.jpg)
12
ha å velge mellom. Limtre har stor kapasitet til å ta laster, med minimal miljøpåvirkninger, og kan formes etter behov, som kan gi et estetisk tiltalende uttrykk. Derfor er det meget aktuelt å bruke i en brokonstruksjon. Limtre støtter også den lange tradisjonen i Norge for
storproduksjon av treverk til bruk i bygg og konstruksjoner. Ved riktig utførelse og
vedlikehold har limtre lang levetid, og vil fungere som et CO2-lager (Sandanayake, Lokuge, Zhang, Setunge, & Thushar, 2019).
Gruppen valgte en buebro basert på et design som så interessant ut. Det statiske systemet er komplisert, men takket være dataprogram har det vært mulig å finne de statiske reaksjonene via en modell i RSA. Buebro ble valgt for å lage en bro av limtre, fordi det ga en statisk utfordring som gruppen var ute etter. En slik bro er også estetisk fin å se på, og måten designet er utført på gjør at broen ikke er sjenerende for omgivelsene, og gir fri sikt til naturen.
Figur 6 Temiscamie River timber bridge (hentet fra https://www.nordic.ca/en/projects/structures/temiscamie-river-bridge)
Buebroer er veldig sterke i forhold til materialmengden som kreves. Broen gruppen
dimensjonerer skal stå på E6 ved Setermoen, og det forventes at trafikken blir større enn ved andre tilfeller der buebro typisk anvendes. Derfor må broen som skal dimensjoneres være sterk, og gitt alle buene som inngår i konstruksjonen, blir broen sterk nok til å takle lasttilfellene gitt av NS-EN 1991-2.
13
3 Metode
Litterturstudiet er gjennomført ved kvalitativ metode.
Metoden Research by Design vil bli benyttet i del to av oppgaven. Research by Design er en metode der modellering og dimensjonering er en del av framgangsmåten for å løse
problemstillingen. Det innebærer at man drøfter forskjellige alternativer som man etterhvert forkaster underveis (Lassen, 2017). Alternativene vil for denne oppgaven være de ulike designene som først foreslås. Designene undersøkes og endres underveis. Om nødvendig drøfter man nye alternativer hvis man setter seg fast.
Selve dimensjonseringsprossesen baserer seg på regelverket gitt i Norsk Standard og Statens vegvesens håndbokserie. Regelverket benytter partialfaktormetoden til å vurdere kapasiter opp mot opptredende krefter. For å utføre modellering og dimensjonering benyttes
håndberegninger, samt tegne- og beregningsprogrammet AutoCAD, og det statiske
analyseprogrammet Robot Structural Analysis. Det statiske analyse programmet RSA brukes til å vurdere kapasiteten til forskjellige alternativer underveis samt kontrollere den endelige modellen. Håndberegninger - eventuelt forenklede, der en global analyse ikke er mulig - brukes for å kontrollere verdiene til RSA.
14
4 Laster
Lastene som virker på en bru deles inn i følgende kategorier (Håndbok N400):
- Permanente laster (P);
- Egenvekt av konstruksjonsdeler - Variable laster (Q);
- Trafikklaster;
- Snølast;
- Temperaturlast;
- Vindlast;
-Seismiske laster;
- Ulykkeslaster (A);
4.1. Permanente påvirkninger
En permanent påvirkning er en last som regnes å være konstant gjennom konstruksjonenes levetid. Egenlast, jordtrykk og vanntrykk regnes som permanente påvirkninger. I denne oppgaven sees det bort fra jordtrykk og vanntrykk.
4.1.1. Egenlast
Egenlasten består av vekten til bærekonstruksjonen, tredekke, og asfalt av kjørebane og fortau.
Bærekonstruksjonen består av limtre GL32h med densitet på 490 kg/m3.
Tredekke består av limtre av kvalitet GL 24c med densitet på 400 kg/m3. Gitt høyden på dekket, blir vekten fordelt på et areal med utbredt last lik 1,6 kN/m2. Videre beregninger er basert på et tredekke av konstruksjonsvirke med kvalitet C24.
Vekten av belegg hentes fra N400. Med en spennvide på under 50 m gir det en vekt på 3,5 kN/m2 (tabellen 5.1).
Tabell 1 Tabell 5.1 minstekrav til dimensjonerende belegningsvekter i kjørebanen
15
4.2.Variable påvirkninger 4.2.1 Trafikklast
En trafikklast er en type belastning i vertikal og horisontal retning på alle elementer av en bane (kjørebane, skulder, gangbane, sykkelbane) som belastes av kjøretøyene som ferdes over broen.
Virkningen av trafikklast er beskrevet i Håndbok 400 «Bruprosjektering» og NS-EN 1991-2
«Eurokode 1: Laster på konstruksjoner - Del 2: Trafikklast på bruer».
Ved beregning av trafikklaster må vegbanen fordeles i teoretiske felt. Antallet og bredden av disse teoretiske feltene regnes i henhold til en tabell 4.1 i NS-EN 1991-2.
Tabell 2 Antall og bredde av teoretiske felt
Antall og bredde av teoretiske felt:
- w = 10,0 m,
- n1 = 10/3 = 3,3(3). n1 = 3.
- wl = 3 m (w > 6m)
- resterende bredde = 1,0 m.
Teoretiske felter nummereres og plasseres på mest ugunstig måte. Dette er illustreres i figur 7.
16
Figur 7 Nummerering og plassering av teoretiske felter i kjørebanen
Vertikale laster (karakteristiske verdier).
Vertikale laster fordeles på fire lastmodeller (LM 1 – LM 4), som beskriver ulike aspekter ved trafikksituasjoner. Disse lastmodellene beskrives videre.
- Lastmodell 1 (heretter referert til som LM 1).
- Lastmodell 1 (heretter referert til som LM 1).