Konseptstudie og prosjektering av nye Flekkefjord bybru

(1)

Telefon: +47 67 23 50 00 www.hioa.no

Institutt for Bygg- og energiteknikk Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 Oslo

adjn

Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo BACHELOROPPGAVE

BACHELOROPPGAVENS TITTEL

Konseptstudie og prosjektering av nye Flekkefjord bybru

DATO 24.05.2017

ANTALL SIDER / ANTALL VEDLEGG 79/7

FORFATTER

Agon Ademi, Nasir Dernjani, Liban Ahmed Abdullahi & Ismael Elhafedi

VEILEDER

Christian Nordahl Rolfsen og Vagelis Plevris

UTFØRT I SAMMARBEID MED Statens Vegvesen

KONTAKTPERSON Erik Maastad

SAMMENDRAG

Flekkefjord kommune har besluttet å bygge en ny bru for å erstatte den nåværende bruen.

Oppgaven er todelt og omhandler i første del en analyse av bruen og dens område for å få et overblikk over mulige alternativer, i tillegg til teori knyttet til feltet. Deretter har det i del to blitt valg to brutyper som har blitt videre dimensjonert.

I dimensjoneringen har Autodesk Robot Structural Analysis blitt brukt, som muliggjør en visuell fremstilling av modellene samt andre dimensjonerings valg. Ved dimensjoneringen av modellene har de blitt sjekket for bruddgrense, bruksgrense og stabilitet. Videre har det blitt lagt vekt på stabile løsninger som er trygge for både fotgjengere og andre trafikanter.

3 STIKKORD Bru

Analyse

Dimensjonering

GRUPPE NR.

30 TILGJENGELIGHET

ÅPEN

(2)

2

Forord

Denne oppgaven er en avsluttende del av det treårige bachelorstudiet ingeniørfag - bygg, ved Høgskolen i Oslo og Akershus. Oppgavens omfang er tilsvarende 20 studiepoeng og er utført i samarbeid med Statens Vegvesenet våren 2017. De interne veilederne for denne oppgaven har vært Christian Nordahl Rolfsen og Vagelis Plevris. Vår eksterne veileder har vært Erik Maastad fra Statens Vegvesen. Alle sammen har vært til stor hjelp i bachelorprosjektet med faglige tips og råd.

Oppgaven har gitt forfatterne en bredere innblikk i hvordan ulike deler av byggeprosessen og dimensjoneringsprosessen er med på å lage et sluttprodukt. Videre har det blitt tilegnet ny kunnskap ved aktiv bruk av Norsk Standard og Statens Vegvesens håndbøker innenfor bruer og veger. Analyseprogrammet Autodesk Robot er blitt brukt aktivt i utformingen av

oppgaven, her rettes det et stort takk til Alejandro Figueres som har vært til fantastisk hjelp med modelleringen, og med andre faglige utfordringer.

_____________________ _____________________

Agon Ademi Nasir Dernjani

_____________________ _____________________

Liban Ahmed Abdullahi Ismael Elhafedi

(3)

3

Sammendrag

Flekkefjord kommune har besluttet å bygge en ny bru over fjorden for å erstatte den nåværende. Bruen har en spennvidde på 40 meter og ligger på fylkesveg 44. Den binder byens hovedgate sammen, som gjør den til et viktig knutepunkt i byen. Kravene satt av kommunen og arbeidsgiver Statens Vegvesen for det ferdige produkt, er et funksjonelt design samt en bru som er lett å vedlikeholde.

Problemstilling er som følger; «hvilke bruløsning egner seg best på Flekkefjord, når man tar hensyn til grunnforhold, konstruksjonsfornuftige løsninger, estetikk, vedlikehold og estimerte kostnader?»

Bachelorprosjektet er todelt hvor det har blitt lagt til grunn en skisseanalyse i første del, hvor mulige brutyper er blitt drøftet og sammenlignet i henhold til gitte kriterier. Kriteriene omfatter blant annet estetiske, økonomisk og praktiske aspekter for å muliggjøre et godt sluttresultat. Fra skisseprosjektet har to brutyper blitt valgt som videre har blitt dimensjonert i del to.

Brutypene omfatter en fagverksbru med underliggende brudekke i tillegg til en bjelkebru med understøtte fra åtte skrå staver. Landkarsfundamentering er lik for begge brualternativene og utføres med stålkejernepeler til berg. Bjelkebrua vil grunnet dens søyler også kreve

fundamentering i midtspennet, her er det valgt stålrørspeler som rammes til stoppslagning i morene masser eller til berg.

En rapport utarbeidet på stedet har fastslått dårlig grunn, dermed har de videre valgene blitt tatt på bakgrunn av dette. Bruene er blitt prosjektert i henhold Eurokoder, Statens Vegvesens håndbøker i tillegg til tilgjengelig støttelitteratur. I dimensjoneringenprosessen er Autodesk Robot Structural Analysis brukt. Dette muliggjør en nøyaktig dimensjoneringsanalyse, i tillegg til visualisering av modellene. Endelige dimensjoner er valgt med hensyn på estetikk, trafikantenes trygghet og relevante kapasitetskontroller. Ved tverrsnittsanalyser er det kontrollert for brudd- og bruksgrense, samt globale knekkingsmuligheter.

Det konkluderes i oppgaven med at det er mulig å bygge begge brutypene over fjorden. De alternativene som er presentert har hver sine karaktertrekk som passer med omgivelsene.

Fagverksbruen gir byen et karakteristisk landemerke med sitt særegne design og form, mens bjelkebruen gir en mer tradisjonell løsning med et mer nøytralt design. Videre er estetikk, vedlikehold, økonomi og statisk system blitt brukt som argumentasjon ved endelig valg av anbefalt bru.

(4)

4

Abstract

Flekkefjord Municipality has decided to build a new bridge over the fjord to replace the current one. The bridge has a span of 40 meters and is located on fylkesveg 44. It binds the city's main street, making it an important hub in the city. The demands made by the

municipality and Statens Vegvesen is that the bridge must have a functional design and be well-equipped in terms of maintenance.

The problem is as follows; «which bridge solution is best suited on Flekkefjord, taking into account basic conditions, constructive solutions, aesthetics, maintenance and estimated costs?».

The bachelor project is divided into two parts, part one of the thesis include a sketch analysis, where possible bridge types have been discussed and compared according to given criteria.

The criteria include aesthetic, economic and practical aspects to enable a good end result.

From the sketch analysis, two bridges have been selected and have been designed in part two.

These two bridges chosen include a truss bridge with underlying bridge deck as well as a beam bridge with support from eight columns. The foundation in the beam bridge include steel pipes that are driven into the ground.

A report has established bad ground conditions in the area, thus the further choices have been made on this basis. The bridges are further dimensioned according to Eurocodes, Statens Vegvesen's manuals in addition to available supporting literature. In the design, Autodesk Robot Structural Analysis is used. This enables a visual representation of the models as well as other design choices. When designing the models, it has been checked for Serviceability Limit State, Ultimate Limit State and stability. Furthermore, emphasis is placed on stable solutions that are safe for both pedestrians and other road users.

It is concluded in the thesis that it is possible to build either of the two bridge across the fjord.

The options presented each have their characteristics that suits the environment. The truss bridge gives the city a distinctive landmark with its distinctive design and shape, while the beam bridge provides a more traditional solution with a more neutral design. Furthermore, aesthetics, maintenance, economics and static systems have been used as an argument for the final choice.

(5)

5

Innholdsfortegnelse

Forord ... 2

Sammendrag ... 3

Abstract ... 4

Innholdsfortegnelse ... 5

Tabell og figurliste ... 8

1. Innledning ... 11

1.1. Bakgrunn ... 11

1.1.1. Området og brua ... 11

1.1.2. Grunnforhold ... 11

1.2. Formål og hensikt ... 12

1.3. Problemstilling ... 12

1.4. Begrensninger ... 12

1.4.1. Geotekniske forhold ... 12

1.4.2. Laster og grensetilstander ... 12

1.4.3. Økonomiske aspekter ... 13

2. Metode ... 13

2.1. Drøfting av mulige metoder ... 13

2.2. Blandet metode ... 13

2.3. «Research by design» ... 13

2.4. Fremgangsmåte ved valgt metode ... 14

3. Teori ... 14

3.1. Europeisk norm – Norsk Standard ... 14

3.2. Statens vegvesens håndbøker ... 14

3.3. Bruteori ... 15

3.3.1. Brutyper ... 15

3.4. Materialteori ... 18

3.4.1. Betong ... 18

3.4.2. Stål ... 19

3.4.3. Tre ... 19

3.4.4. Kompositt ... 20

3.5. Dimensjonerings teori ... 20

3.5.1. Dimensjonering etter partialfaktormetoden ... 20

3.5.2. Grensetilstander ... 21

4. Skisseprosjekt ... 21

4.1. Brutyper ... 22

4.1.1. Buebru ... 22

4.1.2. Fagverksbru ... 23

4.1.3. Skråstagbru ... 24

4.1.4. Bjelkebru ... 25

4.1.5. Sprengverksbru ... 26

4.2. Vurdering av løsninger ... 26

4.2.1. Uaktuelle brutyper ... 26

4.2.2. Vurderingsgrunnlag ... 27

4.2.3. Karaktersetting ... 27

4.2.4. Endelig valg og begrunnelse ... 29

4.2.5. Materialvalg ... 29

4.2.6. Brudekke ... 30

5. Brugeometri ... 30

(6)

6

5.1. Bredde ... 30

5.1.1. Gangbane ... 30

5.1.2. Rekkverk og bærekonstruksjon ... 31

5.1.3. Kjørebane ... 31

5.2. Kruve / stigningsforhold: ... 31

5.3. Oversikt over avstander for fagverksbrua og søylebrua: ... 32

6. Laster ... 32

6.1. Permanente laster ... 32

6.1.1. Egenlast ... 33

6.1.2. Super-egenvekt ... 33

6.2. Variable laster ... 34

6.2.1. Trafikklast ... 34

6.2.2. Snølast ... 36

6.2.3. Vindlast ... 36

6.2.4. Bremselast ... 37

6.2.5. Sidelast og sentrifugallast ... 38

6.2.6. Temperaturlaster ... 38

6.3. Deformasjonslast ... 40

6.3.1. Setninger, bygge, installasjon og fabrikasjonsfeil ... 40

6.4. Ulykkeslast ... 40

6.5. Lastkombinasjoner ... 40

6.5.1. Partialfaktorer, kombinasjonsfaktorer og lastgrupper ... 40

6.5.2. Bruddgrense ... 42

6.5.3. Bruksgrense ... 42

6.5.4. Total lastkombinasjoner ... 43

7. Geometriskanalyse ... 43

7.1. Analyse av fagverksbru ... 44

7.1.1. Stavanalyse ... 44

7.1.2. Utforming av overgurt ... 45

7.1.3. Avstivning ... 46

7.1.4. Valg av buehøyde ... 47

7.1.5. Endelig geometri ... 48

7.2. Analyse av bjelkebru ... 48

7.2.1. Plassering av søyler ... 48

7.2.2. Vinkel på søyler ... 49

7.2.3. Endelig geometri ... 50

7.3. Brulager ... 50

8. Modellering ... 51

8.1. «Releases» – RSA ... 51

8.1.1. Fagverk ... 51

8.1.2. Bjelkebru ... 52

8.1.3. Valg av «releases» ... 52

8.2. Bevegelig last: ... 52

8.3. Steel design ... 53

8.4. Verifikasjon av vindkraftfordeling for fagverket ... 53

... 54

8.5. Dimensjonering og kontroll ... 54

8.6. Dimensjonering av ståldekke ... 54

8.6.1. Kjørebane ... 55

8.6.2. Gangbane ... 55

8.6.3. Tverrsnitt på avstivere ... 56

8.7. Bruddgrensekontroll av tverrsnitt ... 56

8.7.1. Fagsverkbru ... 56

(7)

7

8.7.2. Bjelkebru ... 61

8.8. Knekkanalyse ... 65

8.8.1. Knekkanalyse av fagverksbru ... 66

8.8.2. Knekkanalyse av bjelkebru ... 67

8.9. Bruksgrensekontroll ... 67

8.9.1. Fagverksbru ... 67

8.9.2. Bjelkebru ... 68

9. Økonomi og vedlikehold ... 69

9.1. Kostnadsberegninger ... 69

9.1.1. Materialer ... 69

9.1.2. Fundamentering ... 69

9.1.3. Arbeid ... 69

9.1.4. Totale kostnader ... 69

9.2. Vedlikehold ... 70

10. Resultat og diskusjon ... 71

10.1. Estetikk ... 71

10.2. Vedlikehold ... 72

10.3. Økonomi ... 73

10.4. Konstruksjonsutforming ... 73

10.5. Dimensjonering ... 73

10.6. Sammenlikning ... 74

11. Konklusjon ... 74

12. Kildeliste ... 76

13. Vedlegg ... 79

(8)

8

Tabell og figurliste

Tabell liste

Tabell 1 Poengsum brutyper ... 28

Tabell 2 Geometri fagverksbru ... 32

Tabell 3 Geometri søylebru ... 32

Tabell 4 Belegning kjørebane ... 33

Tabell 5 Belegning gang og sykkelveg ... 33

Tabell 6 Felt trafikklast ... 34

Tabell 7 Trafikklaster på felter ... 35

Tabell 8 Trafikklaster på felt med faktor ... 36

Tabell 9 Vindlast verdier ... 37

Tabell 10 Partialfaktorer ... 40

Tabell 11 Kombinasjonsfaktorer ... 41

Tabell 12 Lastgrupper ... 41

Tabell 13 Faktorer for likning 6.10 a/b ... 42

Tabell 14 Forenklet totale lastkombinasjoner ... 43

Tabell 15 Sammenlikning av buehøyde ... 46

Tabell 16 Sammenlikning av søyleplassering ... 49

Tabell 17 Sammenlikning av søylevinkel ... 50

Tabell 18 Sammenlikning utkraget ... 57

Tabell 19 Sammenlikning tverrbjelker ... 58

Tabell 20 Sammenlikning vertikale staver ... 58

Tabell 21 Sammenlikning skråstaver ... 59

Tabell 22 Sammenlikning undergurt ... 60

Tabell 23 Sammenlikning overgurt ... 61

Tabell 24 Sammenlikning utkraget ... 62

Tabell 25 Sammenlikning tverrbjelker ... 63

Tabell 26 Sammenlikning hovedbjelker ... 64

Tabell 27 Sammenlikning søyler ... 65

Tabell 28 Poengsum fagverksbru og bjelkebru ... 74

VEDLEGG Tabell 29 Verdier for høyder over havet. ... 2

Tabell 30 Vertikal temperatur differanse for bruoverbygninger ... 3

Tabell 31 Temperaturkombinasjoner ... 3

Figurliste Figur 1 Oversiktskart ... 11

Figur 2 Bjelkebru ... 15

Figur 3 Ribbeplatebru ... 15

Figur 4 Bjelkeplatebru ... 15

Figur 5 Bjelkebru, med rektangulære bjelker ... 15

Figur 6 Kassebru med en celle (2 steg) ... 15

Figur 7 Fritt opplagt fagverksbru med buet overgurt ... 16

Figur 8 Buebru med underliggende brudekke ... 16

Figur 9 Buebru med overliggende brudekke ... 16

Figur 10 Hvelvbru ... 17

Figur 11 Hengebru ... 17

Figur 12 Sprengverksbru ... 18

Figur 13 Eksponeringsklasser betong ... 18

(9)

9

Figur 14 Skisse alt. 1 & 2 ... 22

Figur 16 Skisse alt. 5 ... 24

Figur 17 Skisse alt. 6 ... 25

Figur 19 Radardiagram brutyper ... 28

Figur 20 Sammenlikning av brutyper ... 29

Figur 21 Visualisering av trafikkfelt ... 34

Figur 22 Plassering av aksellast i felt ... 35

Figur 23 Plassering av aksellast ... 35

Figur 24 Aksellast detalj ... 36

Figur 25 Retninger for vindpåvirking ... 37

Figur 26 Temperaturpåvirkning ... 38

Figur 27 Lengdeforlengelse pga. temp. ... 39

Figur 28 Pratt truss ... 44

Figur 29 Howe truss ... 44

Figur 30 Warren truss ... 44

Figur 31 Parker truss ... 46

Figur 32 Bowing truss ... 46

Figur 33 Fagverk 3, 5 & 6 meter ... 46

Figur 34 Avstivningsdetalj ... 46

Figur 35 Avstivning fagverk 3, 5 & 6 meter ... 47

Figur 36 Buedetaljer ... 47

Figur 37 Lengdesnitt ... 48

Figur 38 Tverrsnitt ... 48

Figur 39 Søyleplassering ... 49

Figur 40 Vinkelåpning søyler ... 49

Figur 41 Lengdesnitt ... 50

Figur 42 Tverrsnitt ... 50

Figur 43 Brulager ... 51

Figur 44 «Releases» i fagverk ... 52

Figur 45 «Releases» i bjelkebru ... 52

Figur 46 Bevegelig last i RSA ... 52

Figur 47 Utklipp av steel design ... 53

Figur 48 Vierendeel ramme ... 53

Figur 49 Moment og skjærdiagram vind ... 54

Figur 50 Avstivere i kjørebane ... 55

Figur 51 Avstivere i gangbane ... 55

Figur 52 Detalj langsgående avstiver ... 56

Figur 53 Markerte elementer utkraget ... 56

Figur 54 Moment & skjær utkraget ... 56

Figur 55 Markert element 69 - tverrbjelker ... 57

Figur 56 Moment & skjær tverrbjelker ... 57

Figur 57 Markert element - vertikale staver ... 58

Figur 58 Aksialkraftdiagram - vertikale staver ... 58

Figur 59 Markert element - skråstaver ... 59

Figur 60 Aksialkraftdiagram - skråstaver ... 59

Figur 61 Markert element - undergurt ... 59

Figur 62 Aksialkraftdiagram - undergurt ... 60

Figur 63 Markert element - overgurt ... 60

(10)

10

Figur 64 Aksialkraftdiagram - overgurt ... 60

Figur 65 Markerte elementer - utkraget ... 61

Figur 66 Moment & skjær utkraget ... 62

Figur 67 Markert element - tverrbjelker ... 62

Figur 68 Moment og skjær - tverrbjelker ... 63

Figur 69 Markert element - hovedbjelker ... 63

Figur 70 Moment og skjærdiagram - hovedbjelker ... 64

Figur 71 Markert element - søyler ... 64

Figur 72 Aksialkraftdiagram - søyler ... 64

Figur 73 Knekking fagverksbru 3D ... 66

Figur 74 Knekking tverrsnitt ... 66

Figur 75 Utklipp – «steel design» ... 66

Figur 76 Knekking bjelkebru 3D ... 67

Figur 77 Knekking bjelkebru tverrsnitt ... 67

Figur 78 Nedbøyning fagverksbru ... 68

Figur 79 Nedbøyning bjelkebru ... 68

Figur 80 Fagverksbru – sideperspektiv ... 71

Figur 81 Bjelkebru - sideperspektiv ... 72

Figur 82 Fagverksbru - vegperspektiv ... 72

Figur 83 Bjelkebru - vegperspektiv ... 73

Figur 84 Fagverksbru - perspektiv fotgjenger ... 75

Figur 85 Fagverksbru- fugleperspektiv ... 75

Figur 86 Fagverksbru - perspektiv brygge ... 75

VEDLEGG Figur 87 Eksponeringsfaktor illustrasjon ... 3

Figur 88 Kraftfaktorer for bruer ... 4

Figur 89 Tøyning temperaturlast ... 1

Figur 90 Verdier for T min og T max ... 1

Figur 91 Max og min. temperaturer ... 2

Figur 92 Temp. lengderetn. RSA ... 4

Figur 93 Temp. vert.retn. RSA ... 4

Figur 94 Lengdesnitt endelig dim. fagverk ... 1

Figur 95 Oversnitt endelig dim. fagverk ... 1

Figur 96 Tverrsnitt endelig dim. fagverk ... 1

Figur 97 Fagverk - visning 1 ... 2

Figur 100 Lengdesnitt dim. Bjelkebru ... 3

Figur 101 Oversnitt endelig dim. Bjelkebru ... 3

Figur 102 Tverrsnitt endelig dim. bjelkebru ... 3

Figur 103 Bjelkebru - visning 1 ... 4

Figur 106 Krefter hovedbjelke ... 13

Figur 107 Moment hovedbjelke ... 13

Figur 108 Skjær hovedbjelke ... 13

Figur 109 Krefter søyle ... 14

Figur 110 Moment søyle ... 14

Figur 111 Detalj tegning - Statens Vegvesen ... 1

(11)

11

1. Innledning

1.1. Bakgrunn 1.1.1. Området og brua

Flekkefjord bru ligger i sentrum av Flekkefjord kommune i Vest-Agder fylkeskommune.

Bruen ligger i fylkesveg 44 og binder byen sammen. På bakgrunn av dette er den en viktig ferdselsåre både for innbyggerne i byen, i tillegg de til mange næringsdrivende i nærheten.

Flekkefjord er en nokså liten kommune med rundt 9000 innbyggere [19].

Bruen er lokalisert i et meget sentralt område i byen, i umiddelbar nærhet finnes sentrale bedrifter og

restauranter som er viktige for byens økonomi.

Samtidig er det en brygge som ligger langs

Byfjorden, som er et populært sted om sommeren.

Grunnet disse omstendighetene vil ikke bruen kun være et viktig knutepunkt for innbyggerne, men også et landemerke for Flekkefjord.

1.1.1.1 Nåværende bru

Den nåværende bruen er en gammel brukonstruksjon som er blitt preget av alder og

manglende vedlikehold. Bruen ble i sin tid bygget som en bevegelig bru, for å legge til rette for ferdsel av større fartøy gjennom elven. I henhold til reguleringsplanen til Flekkefjord kommune og Statens Vegvesens anbefalinger er det ikke nødvendig å ha en bevegelig bru fordi denne funksjonen i senere tid ikke har blitt benyttet.

Under konstruksjonen av den nye bruen, vil det bli bygget en midlertidig bru lenger nord for å muliggjøre ferdsel over Byfjorden.

1.1.2. Grunnforhold

Det har blitt utarbeidet en geoteknisk rapport av Statens Vegvesen, etter gjennomført grunnundersøkelse i august 2014. Rapporten omfatter 18 totalsonderinger på ulike bor- punkter og ut i fra resultatene er følgende konklusjon trukket:

«De opptatte prøveseriene er av dårlig kvalitet, veldig lite materiale er fått med i hver prøve. Det går ikke å utføre noen analyser med representativt resultat då prøven mest sannsynlig blitt utvasket på vei opp. Det var veldig vanskelig å få tatt opp noen prøve da det var veldig hardt i undergrunnen, boremanskapet brukte mye slag for å få ned prøvetakene. De masser som blev tatt opp ser ut å være stenige og sandige etter visuell undersøkelse».

Kort sagt kan man oppsummere dette ved å si at man har lite kjennskap til grunnforholdene og dermed konkluderes det med at det er svært dårlige grunnforhold [20].

[8]

Figur 1 Oversiktskart

(12)

12 1.2. Formål og hensikt

Hensikten med denne oppgaven er at gruppen gjennom en helhetlig studie i samarbeid med Statens Vegvesen utforme et eller flere forslag til en ny brukonstruksjon. Brukonstruksjonene skal gjenspeile de vurderingene som har blitt tatt og vil gi en bredere forståelse for hvordan de ulike elementene i oppgaven henger sammen. Gjennom oppgaven blir det brukt ulike hjelpemidler og referanser som gir et helhetlig og presist resultat. Dette resultatet

representerer forfatternes kunnskap og innsikt til temaet.

1.3. Problemstilling

Oppgave innebærer en studie og analyse av ulike brutyper med hensyn på forskjellige faktorer. Med bakgrunn i dette er problemstillingen som følgende;

”Hvilke bruløsning egner seg best i Flekkefjord, når man tar hensyn til

grunnforhold, konstruksjonsfornuftige løsninger, estetikk, vedlikehold og estimerte kostnader?”

1.4. Begrensninger

Denne oppgaven vil omfatte en helhetlig prosjektering av en eller flere brualternativer. Dette fører til at mange ulike aspekter trekkes inn. Av den grunn kan dette bli et svært tidskrevende prosjekt, noe gruppen ikke har til disposisjon. Enkelte temaer og krav vil dermed ikke være aktuelle å ta hensyn til, mens i andre tilfeller vil det bli gjort forenklinger slik at relevante fagområder i forhold til gruppens studie og kompetanse kan bli satt i fokus.

1.4.1. Geotekniske forhold

Grunnforholdene i et område er avgjørende når det kommer til teknisk utførelse, sikkerhet og kostnadsberegning. I ulike deler av landet er det forskjellige geologiske, topografiske og klimatiske forhold. Disse forholdene er med på å gi ulike typer løsmasser, som krever forskjellige undersøkelsesmetoder [20].

På første møte med Statens Vegvesen ble gruppen informert om at grunnundersøkelsene som hadde blitt gjort på stedet viste svært dårlige resultater. På grunn av dette har gruppen blitt enige om å neglisjere beregning av peler og fundament. Derimot ønsker forfatterne å presisere at geoteknikk er av stor betydning ved prosjektering og valg av brualternativer.

1.4.2. Laster og grensetilstander

Formålet med de utarbeidede dimensjoneringsprinsippene er å forhindre skader og tap av menneskeliv ved sammenbrudd av konstruksjoner. Dermed må en konstruksjon

dimensjoneres etter de faktorene som har innvirkning på dens stabilitet, dette er i hovedsak konstruksjonens byggematerialer og påkjenninger.

Bruer utsettes for ulike typer laster og påkjenninger. Det er derfor vesentlig å kontrollere ulike grensetilstander, men begrenset tid fører til at gruppen velger å utelate

utmattingsgrensetilstand, montasjetilstand og ulykkestilstand.

(13)

13 1.4.3. Økonomiske aspekter

Ved prosjektering av konstruksjoner, vil alltid sikkerhet være i sentrum. Det betyr imidlertid ikke at den beste konstruksjonstekniske utformingen vil være den mest kostnadseffektive løsningen. Kostnadsposten vil derfor alltid være en avgjørende faktor for valgt løsning.

Gruppen skal i samarbeid med Statens Vegvesen vurdere estimerte kostnader for de ulike brutypene. Kostnadsestimatet skal være forenklet, ettersom en eksakt kostnadsanalyse vil kreve større ressurser og erfaring, noe gruppen ikke har innenfor dette feltet.

2. Metode

For å kunne oppnå ønsket resultat med denne oppgaven, vil valg av metode være avgjørende.

Dette vil kunne påvirke oppgavens struktur, innhold og spesielt resultat. Det er derfor viktig å kunne få en helhetlig forståelse for hva slags type oppgave som behandles og hvilken metode som vil egne seg best.

2.1. Drøfting av mulige metoder

I vitenskapsteorien er det definert ulike metoder for forskning;

- Kvantitativ - Kvalitativ metode - Blandet metode - Litteratur granskning - Case studiet

- «Research by design»

Den valgte problemstillingen vil kreve en forskningsbasert metode som er fleksibel.

Oppgaven må derfor kunne benytte seg av enten Blandet metode eller «Research by design».

Denne avgrensningen er gjort på grunnlag av at oppgaven er todelt, hvor resultatet for de ulike delene kommer i form av både kvantitative og kvalitative data.

2.2. Blandet metode

Ved denne metoden veksles det mellom de kvalitative og kvantitative data. Kvalitative data regnes som data som har blitt opparbeidet igjennom en grundig granskning av

dybdekunnskap. Det finnes ulike metoder for å oppnå kvalitative data og de tar sikte på å fange opp meninger og opplevelser som ikke lar seg tallfeste eller måle [21]. Kvantitativ data har den fordel at det gir data i form av målbare enheter.

2.3. «Research by design»

«Research by design» er en metode hvor forskningen understøtter seg på design aspektet.

Denne skiller seg ut fra de øvre metodene ved at det gis mer rom for kunstneriske, intuitive, adaptive og analyse modeller. Her sammenkobles design og forskning til et resultat som danner ny innsikt, kunnskap eller praksis som byr på et nytt produkt. Denne metoden kan også være sammenfallende med valgt problemstilling og ønsket fremgangsmåte [22].

(14)

14 2.4. Fremgangsmåte ved valgt metode

En Blandet metode vil gi et godt bilde for hvordan denne rapporten behandles.

Skisseprosjektet vil være kjernen i oppgavens første del. Resultatet fra dette konseptstudiet, kvalifiserer seg som kvalitativ data kombinert med data opparbeidet igjennom granskning av relevant litteratur i neste kapittel. I del 2 vil forfatterne samle opp alle de relevante

påkjenningene og ta i bruk ulike beregningsprinsipper ved hjelp av standarder, håndbøker og andre aktuelle regelverk.

Når dette er klart vil de valgte løsninger bli simulert i «Robot Structural Analysis» videre omtalt som RSA. For å kunne underbygge de resultater som oppnås igjennom analyse programmet, vil det være hensiktsmessig med en sekundær kilde i form av håndberegninger.

De statiske beregninger i del 2 fører oppgaven innenfor rammeverket for kvantitative data.

3. Teori

3.1. Europeisk norm – Norsk Standard

For at alle parter involvert i prosjektering av konstruksjoner skal ha et felles grunnlag, er det hensiktsmessig å følge reglene og retningslinjene som finnes i Eurokodene.

Eurokoden er en felles europeisk serie med standarder for prosjektering av både bygg og anleggskonstruksjoner. Disse vil gi detaljerte retningslinjer for ulike materialer, produkter og konstruksjonstyper. Alle eurokoder inngår i Norsk Standard og merkes som Norsk Standard – Europeisk Norm (NS-EN) [23].

Norsk Standard er fastsatt av Standard Norge som et resultat av nasjonalt, europeisk og globalt standardiseringsarbeid. Som medlem av den europeiske

standardiseringsorganisasjonen er Norge forpliktet til å inkludere alle europeiske standarder merket EN. Norge står dermed fritt til å inkludere internasjonale standarder merket ISO og legge til egne retningslinjer som ikke er i strid med Europeisk Norm under Norsk Standard merket NS [24, 25].

3.2. Statens vegvesens håndbøker

Statens vegvesen har egne håndbøker som utgis i 2 nivåer. Nivå 1 består av normaler og retningslinjer som er de viktigste håndbøkene i vegvesenets arkiv. Disse retningslinjer må følges av både Statens vegvesen og aktører i samarbeid med Statens vegvesen. Ved fravik fra både normaler og retningslinjer må dette godkjennes igjennom en formell søknad.

Håndbøker i nivå 2 klassifiseres som veiledninger. Disse veiledningene er støttelitteratur som skal gi en mer detaljert forståelse og underbygge det som står i nivå 1. I nivå 2 må det ikke fremlegges en formell godkjenning ved avvik [26]. Det er også viktig å understreke at håndbøkene ikke kan være i strid med Eurokoden. Hvis det skulle vise seg å være uenigheter mellom håndbøkene og Eurokoden, skal Eurokoden følges.

(15)

15 3.3. Bruteori

Bruer kan deles inn i flere kategorier, alt ettersom hvordan de er bygd opp. Valget av brutype avhenger av de omgivelsene brua skal ligge i, samt ande faktorer som vedlikehold, økonomi og praktisk evne. På bakgrunn av dette skal gruppen ta for oss de forskjellige brutypene, for så å analysere og vurdere de. Bruas omgivelser har stor innvirkning på det endelige

brudesignet, derfor er det viktig å bruke omgivelsene og terrenget som er tilgjengelig for å få et så godt resultat som mulig. Dette kommer også fram i Vegvesenets håndbok V420

Utforming av bruer;

«Bruanlegg som virker naturlig og logisk plassert i landskapet, vil langt på veg oppfylle vesentlige estetiske krav:

Bruer vil ofte være store inngrep i landskapet. Idegrunnlaget for formgiving og plassering må derfor ta utgangspunkt i landskapets kvalitet og egenart» [27].

3.3.1. Brutyper

I henhold til Statens Vegvesens håndbok V440 Bruregistrering, deler bruer inn i 9 kategorier, hvert av kategoriene blir videre delt inn i underkategorier. Det skal derimot i dette avsnittet kun ta for oss de mest relevante brutypene for dette bruprosjektet.

3.2.1.1. Platebru

I en platebru utgjør selve platen det bærende systemet i bruen, dette fordi platen tar for seg påkjenningen og videre fordeler den til undergurten, uten understøtte av bjelker. Platebruer tar krefter i alle retninger og distribuerer dermed kreftene over et større areal.

Avhengig av forholdet mellom B, H og b, så skilles det mellom platebru, bjelkeplatebru og ribbeplatebru [28].

3.2.1.2. Bjelkebru

I en bjelkebru utgjør bjelkene det bærende systemet i bruen. Bjelkene kan utføres på mange forskjellige måter, alt fra rektangulære til T og I bjelker er vanlig å bruke.

Dekket i bjelkebruer hviler på pilarer og til forskjell fra en platebru tar den krefter i kun en retning [29].

3.2.1.3. Kassebru

I en kassebru er brutversnittet utformet som en kasse.

Kassetversnittet som brukes har to eller flere steg som virker i kombinasjon med over- og underflensen [30].

[11] [12] [12]

[13]

Figur 5 Bjelkebru, med rektangulære bjelker

Figur 6 Kassebru med en celle (2 steg) Figur 4 Bjelkeplatebru Figur 3 Ribbeplatebru Figur 2 Bjelkebru

(16)

16 3.2.1.3. Fagverksbru

En fagverksbru er en bru hvor brukonstruksjonen og den påfølgende påkjenningen blir båret av et fagverk. Det finnes flere måter på hvordan en slik brukonstruksjon kan bygges, blant annet kan fagverket befinne seg under eller over brudekket i tillegg til om overgurt er buet eller ikke [31].

Fagverket er satt sammen av flere stenger/staver som er forbundet i knutepunkter,

forbindelsene kan enten være leddet eller fastspent i enden. Forbindelsene er med på å danne en stiv bærekonstruksjon. Hovedprinsippet med fagverkbruer er at fagverkets staver veksler på strekk og trykk, som fører til en likevekt mellom påkjenningen og motstanden.

Fagverket er et historisk meget brukt bæresystem, man finner blant annet bruk av fagverket i takstoler, byggekraner og tårn. Et av de mest kjente konstruksjonene som benytter seg av fagverk som bæresystem er Eiffeltårnet som ble bygget i 1899 [32].

3.2.1.4. Buebru

Hovedprinsippet med buebruer er at buen bærer selve konstruksjonen, dette kan utføres på forskjellige måter. Buen kan befinne seg under, over eller midt på vegbanene, alt ettersom hva som passer best [33].

Påkjenningen som påføres blir tatt opp av buen. Kreftene som kommer på vegbanen blir ledet opp gjennom buen og videre mot fundamentet som til slutt ender ned i bunn. På bakgrunn av de store påkjenningene som blir påført fundamentet, er det helt nødvendig med god

fundamentering for å få en fungerende bru.

Bruene kan utføres på ulike måter, blant annet med strekkbånd. Ved to innspenninger i buens ender vil det føre til at bruen har en større bæreevne og det er derfor viktig å ha et fundament som kan ta opp momentene som oppstår. Ved fundamenter i fjell blir ikke dette sett på som et hinder, derimot er det mer problematisk ved fundamentering i løsmasser.

Ved tilfeller med fundamentering i løsmasser er det en fordel å bruke en bue med ledd i begge ender. Det kan også være relevant med en treleddsbue som i tillegg til ledd i begge

[14]

[15] [15]

Figur 7 Fritt opplagt fagverksbru med buet overgurt

Figur 9 Buebru med overliggende brudekke Figur 8 Buebru med underliggende brudekke

(17)

17 ender også har et ledd i toppen som muliggjør at bruen kan bli utsatt for

fundamentdeformasjoner og temperaturendringer uten bekymring [34]. Ettersom det oppstår store kompresjonskrefter på buen er det viktig at materialene som blir brukt, har gode

trykkegenskaper. Derfor er både tre og betong materialer som er relevante innenfor buebruer.

3.2.1.5. Hvelvbru

Eldre varianter av buebruer som ble bygget av stein og tegl har betegnelsen hvelvbru, nyere hvelvbruer kan også benytte seg av hvelv i betong.

Figur 10 Hvelvbru

3.2.1.6. Hengebru

Hengebruer er også den mest utbredte konstruksjonstypen over lengere spenn. Det bærende elementet i hengebruene er kabelen, som tar opp strekkreftene. Brutypen daterer langt tilbake i tid, et av de mest kjente og bevarte bruene av denne typen er An-Lan brua som er lokalisert i Kina, og som daterer tilbake til år 960. [35].

Figur 11 Hengebru

Stålwiren som brukes til å ta opp strekkreftene blir satt sammen av mange tynne tråder som bindes sammen til en kabel. Kabelen blir videre forankret i grunnen, som regel i fjell.

Det benyttes vanligvis et tårn på hver side av spennkabelen, men det finnes også eksempler på bruer med kun et tårn, noen land benytter også flere enn to tårn. Tårnene som brukes har en høyde som er en tiende del av spennvidden som wiren spenner over [35].

3.2.1.7. Sprengverksbru

I sprengverksbruer er bæresystemet utført av trykkstaver. Alt ettersom hvordan bruen er bygget opp kan en sprengverksbru virke på forskjellige måter, bæresystemet kan virke som en bjelke, ramme eller fagverk [36].

Trykkstavene overfører trykkreftene ned til undergrunnen på samme måte som en buebru. På bakgrunn av dette er det helt nødvendig med god fundamentering og gode grunnforhold for å oppnå en god løsning.

[16]

[17]

(18)

18

Figur 12 Sprengverksbru

3.4. Materialteori

Valg av materialet for brukonstruksjoner er like sentralt som ved andre konstruksjoner. Det finnes ulike materialer der alle har unike egenskaper men også svakheter. Ved bruer bør det velges et materiale som gir best resultat i form av styrke, estetikk, vedlikehold, levetid og hvordan det passer inn i omgivelsene.

3.4.1. Betong

Betong er et materiale som er satt sammen av sand, stein, sement og vann. Denne sammensetning gjør dette kunstige materialet til et av verdens mest brukte, da disse råmaterialene finnes over store deler av verden [37].

Sammensetning er mulig da sement er et hydraulisk bindemiddel, som ved blanding med vann gir et fast ikke-vannløselig reaksjonsprodukt. Dagens betong har ingen lang historie, sementliknende bindemidler fantes derimot lenge før vår tid, dette da bindemidlets

egenskaper er gode samtidig som tilslaget er lett tilgjengelig.

Ved bruk av betong i maritime miljøer kan konstruksjonen bli utsatt for nedbrytningsmekanismer. For å unngå dette er

det nødvendig å velge riktig

eksponeringsklasse og bestandighetsklasse.

Eksempelvis ved maritime omstendigheter faller ofte betongen under eksponeringsklasse XS, korrosjon framkalt av klorider fra sjøvann [38].

Positive og negative sider ved betong Positive:

- God stryke

- God brannmotstand

- Støpes i hvilke som helst form - Stor trykkfasthet

- Slitesterk - Frostsikker

- Kan lages vanntett

Negative:

- Liten strekkfasthet - Høy vekt

- Dimensjonsendring (temp) - Fuktnivå

- Belastning

[18]

[10]

Figur 13 Eksponeringsklasser betong

(19)

19 3.4.2. Stål

Stål er en smibar legering som er smeltet sammen av jern og karbon i tillegg til andre grunnstoffer, karboninnholdet er mindre enn 2 %. Denne sammensetningen gjør stål til et sterkt materiale.

På grunn av stålets styrke vil det ved sammenligning med betong og tre, ikke være nødvendig med like store tversnittsdimensjoner. Dette er en fordel når det kommer til estetiske aspekter på forskjellige konstruksjoner [39]. Det er i dag mulig å få tak i mange forskjellige ståltyper, alt etter hvilke egenskap man legger vekt på; korrosjon, varme, styrke eller

slitasjebestandighet.

På grunn av stålets sammensetning av jern og karbon, kan egenskapene variere etter hvilken prosess som tas i bruk ved produksjonen, i tillegg til varmebehandling stålet utsettes for.

Vanlige legeringselementer som brukes til å fremme enkelte egenskaper i stålet er karbon, silisium, mangan, krom og nikkel [40].

Positive og negative sider ved stål:

Postive

- Høy styrke - Lav vekt - Kort byggetid - Stor nøyaktighet - Lett å rive

3.4.3. Tre

Tre som material har hatt veldig stor betydning for byggebransjen i Norge og materialet er et av de eldste materialene som har blitt benyttet i ulike konstruksjoner. I likhet med betong og stål har forskning ført til nye byggemetoder, anvendelsesområder og teknikker. Betydningen materialet har hatt for byggevirksomheten er ikke tilfeldig, den rike tilgangen på trevirke i Norge, enkel transport, samt enkel bearbeiding av materialet har gjort at tre har spilt en stor rolle som konstruksjonsmateriale [41].

Tre som alle andre materialer har også ugunstige egenskaper. Materialet er for eksempel anisotropt; har ulik stryke etter hvilke akseretning som er belastet. Trevirke har heller ingen motstandsevne mot insektangrep, sopp eller råte, og endrer dimensjoner med variasjon i luftfuktigheten noe som kan forandre bæreevnen [42].

Negative - Korrosjon

- Mister styrke ved oppvarming - Deformasjonssutsatt

- Svingninger

- Dimensjonsendring pga. temp.

(20)

20 Positive og negative sider ved tre:

Positive

- Høy stryke i forhold til vekt - Lav vekt

- Lang tid før gjennombrent - Nøyaktig

- Tilgjengelig 3.4.4. Kompositt

Kompositt betegner to eller flere materialer sammensatt i et makroskopisk nivå for å danne et endelig materiale. Hver av komponentene vil enten være matrise eller forsterkningsmateriale.

Hovedoppgaven til matrisen er å binde forsterkningslaget, mens forsterkningslaget skal forsterke komposittmaterialet [43].

I bygg og anleggsindustrien, spesielt innen brukonstruksjoner brukes spesielt plastbasert kompositt og i de seneste årene har flere kompositt bruer blitt prosjektert, blant annet i Fredrikstad. Ved plastbasert kompositt benyttes det plastmateriale forsterket med fiber, som skal opprettholde styrke og stivhet. Herdeplasten binder fibrene, fordeler krefter videre til disse og skal virke som et beskyttende lag mot ytre forhold.

Kompositt har bedre spesifikk styrke og –stivhet enn stål og aluminium, samtidig lav vekt. I tillegg er materialet temperatur- og korrosjonsresistent, har lang levetid og det kreves lite vedlikehold. Ulempen ved å benytte kompositt er høye kostnader i forhold til andre materialer som stål, aluminium, betong og tre, samtidig mangel på effektivisering av produksjonsprosessen [44].

3.5. Dimensjonerings teori

Funksjonskravene til en konstruksjon er avhengig av ulike parametere. I en brukonstruksjon må de kravene som stilles være tydelige. Trafikkbehovet må vurderes ut ifra vekt

(akseltrykk), antall kjøretøy (trafikk behov) og samtidig kunne vise hensyn til syklister og fotgjengere. Når disse vurderinger er lagt til grunn vil spørsmål rundt antall kjørefelt, plassering av gang og sykkelfelt og topografi kunne besvares. Videre brukes denne

informasjonen til problemstillinger knyttet til spennvidde, arkitektur og konstruksjons teknisk utforming [45].

3.5.1. Dimensjonering etter partialfaktormetoden

Dimensjoneringen skal basere seg på partialfaktormetoden, og er en forutsetning i alle europeiske prosjekterings regler. Denne metoden påviser at lastvirkningen ikke kan overskride konstruksjonens motstand i ulike tilstander. Anvendelse av denne metoden innebærer at det legges til faktorer for å sikre materialets egenskap slik at ønsket

pålitelighetsnivå er definert. På denne måten vil sikkerhetsnivået bli opprettholdt uavhengig av valgt løsning [45].

Negative

- Lett brennbart - Opptar fuktighet - Sveller og svinner - Svingninger - Lav E-modul

(21)

21 3.5.2. Grensetilstander

Partialfaktormetoden legger til grunn for ulike grensetilstander. Disse grensetilstandene har gitte kriterier som skal oppfylles. Brukonstruksjoner skal ifølge Håndbok 185

Bruprosjektering dimensjoneres for følgende fire grensetilstander; bruddgrense, bruksgrense, ulykkesgrense og utmattingsgrense. Kontroll i disse grensetilstandene baseres på NS-EN 1990. Som nevnt tidligere i oppgaven ser gruppen bort i fra ulykkesgrense og

utmattingsgrense.

I bruddgrensetilstand vil konstruksjonens bæreevne ivaretas. Kontroll i denne tilstanden er knyttet til sammenbrudd av konstruksjonen, dette betyr at bruddgrense tilsvarer den maksimale bæreevnen konstruksjonen kan ta.

Ved bruksgrensetilstand vil funksjonaliteten bli ivaretatt. Her knyttes det inn faktorer knyttet til konstruksjonens funksjonsdyktighet, dette omfatter i hovedsak evnen til å motstå

deformasjoner og skader som vil påvirke konstruksjonens utsende og samtidig er til hinder for normal bruk [45].

4. Skisseprosjekt

Visualisering av brua er vesentlig, spesielt da denne konstruksjonen er en sentral bybru og den ligger på en krevende plassering. Det har derfor blitt gjort visuelle studier av området rundt brua, samt analysert arkitektoniske aspekter og fornuftige konstruksjonsløsninger slik at bruforslagene inntrer og oppfyller tekniske og ønskede krav [27].

Vi har valgt å visualisere bruforslagene ved bruk av 3D-verktøy, som muliggjør en enkel visuell representasjon av bruene. Perspektivmodellene samt gjennomgangen av viktige faktorer er ment som hjelp til forståelse for de besluttende organer (i dette tilfellet gruppemedlemmene), da alle bruforslagene har sine ulemper og fordeler.

Modellene som er blitt brukt i skisseprosjektet er kun ment som visualisering av de ulike designalternativene, det tas derfor ikke forbehold om feil knyttet til aktuelle tykkelser og lengder for de representative brukonstruksjonene [27].

(22)

22 4.1. Brutyper

4.1.1. Buebru 4.1.1.1. Skisse Alternativ I

Alternativ II

4.1.1.2. Konstruksjonsbeskrivelse

Alternativ I er en buebru med overliggende brudekke, med en buekonstruksjon sammensatt av to buer og stag, mens alternativ II er en tradisjonell buebru med mellomliggende brudekke.

Konstruksjonen består av to identiske buer som føres fra undersiden til oversiden av bruen og buene kobles til brudekket ved hengestenger [46].

4.1.1.3. Fundamentering og statisk system

I hovedsak vil bæresystemet i alternativ I og II bestå av buene. Videre utføres buene med ledd på begge ender, som gir liknende momentfordeling som ved valg av innspenning. I tillegg vil pilhøyde på en bue ha innvirkning på momentfordelingen og opplagerkraft på konstruksjonen [47].

Ved alternativ I vil dette gi lavt maksimalt moment samtidig får en større horisontal opplagerkraft, mens ved alternativ II det motsatte. Dårlige grunnforhold kan føre til forskyvning av fundament og dette problemet løses ved å montere strekkbånd mellom bueendene. I begge alternativene vil det ikke være aktuelt grunnet båtferdsel under bruene.

4.1.1.4. Estetikk

Buekonstruksjonene i alternativ I som krysser hverandre i midten av spennet gir et

karakteristisk design. Under bruen vil dette kunstneriske uttrykket fremheves, spesielt for de som ferdes med båt og fotgjengere under bruen. Derimot har buene i alternativ II en

utforming og symmetri som kan vekke oppmerksomhet til både bilister, båtferdene og fotgjengere.

Figur 14 Skisse alt. 1 & 2

(23)

23 4.1.1.5. Trafikale forhold

Det vil bli bygget et fortau på hver side av kjørebanen som vil gi rom til både syklister og fotgjengere. For alternativ I er det av stor innflytelse at buene maksimalt kan ha en pilhøyde på 3,5 m, grunnet båtferdsel. Dette vil derimot ikke ha en innvirkning for alternativ II.

4.1.2. Fagverksbru 4.1.2.1. Skisse Alternativ III

Alternativ IV

Alternativ III fremstår som en vanlig fritt opplagt fagverksbru, med en buet overgurt.

Fagverket er utført med underliggende vegdekke. Alternativ IV er en fagverkskonstruksjon hvor fagverket er utført med overliggende vegdekke. Undergurten er i tillegg utført som en kjedelinje.

I alternativ III er det et bæresystem på oversiden av vegbanen, på grunn av rammeverks omfang og størrelse så gjør det at stavene har nok kapasitet til å bære bruen og dens

påkjenning uten annen støtte. I alternativ IV er det valgt et mindre bæresystem på undersiden av vegbanen. Dermed er det også nødvendig å støtte opp konstruksjonen med pilarer som føres ned i grunn, for å ta deler av kreftene.

4.1.2.4. Estetikk

Alternativ III tar for seg en buet overgurt som gir bruen et slankt utseende som gir et inntrykk av en lett bru. Alternativ IV gir bruen et mer karakteristisk utseende i form av mer spesielt design, hvor undergurten har en varierende høyde.

4.1.2.5. Trafikale forhold

Alternativ III utføres med fagverk som skiller kjørebanen med sykkel og fotgjengerfelt, som gjør bruen tryggere i forhold til myke trafikanter. Båttrafikken vil under begge tilfeller

tilfredsstille kravene som blir satt, men alternativ IV vil trenge en større bue for å oppnå dette

(24)

24 kravet. Dette fordi det ikke er fritt under vegdekket på samme måte som alternativ III, på grunn av søylene.

4.1.3. Skråstagbru 4.1.3.1. Skisse Alternativ V

Alternativ V viser en skråstagbru. Det er valgt å unngå tårn på begge sider av brubanen fordi tårnene vil stå tett innpå det byområdet som brua knytter seg opp mot. Fra tårnene er det strukket kabler som festes direkte ned i brubanen på hver side av bruas bredde og på tilsvarende vis på land. I tillegg til tårnene er det plassert to søyler som skal understøtte dekket på den andre siden av brua.

De store kreftene kan by på en utfordring med å fundamentere på dårlig grunn samtidig som konstruksjonen har en stor tyngde. Kablene av stål er både sterke og fleksible som dermed vil tåle store laster. Derimot er kablene svært svake ved sterk vind og av den grunn

vil en konstruksjon av denne typen være utfordrende ved sikring av dens stabilitet [48].

4.1.3.4. Estetikk

Hvis ønsket er å kunne få frem et lite landemerke på stedet, vil skråstagbruene være en mulig kandidat. Brua kan utføres enten med rette tårn eller med en liten helning for å gi det et spesielt preg. Skråstagbruen vil fremstå estetisk for seg selv, men med en plassering over Flekkefjord vil det skapes et skille mellom skråstagbruens estetikk og byens utforming. Den vil fremstå som svært dominerende og vil skape to ulike opplevelser på stedet.

Denne løsningen opprettholder ønsket om en romslig ferdsel for både tunge og myke trafikanter. Løsningen gir også en mulighet for fritt spenn slik at ferdsel med båt er uhindret under brua. Det vil derimot kunne oppstå en begrensing for ferdsel på brygga ved søyle fundamenteringene.

Figur 16 Skisse alt. 5

(25)

25 4.1.4. Bjelkebru

4.1.4.1. Skisse Alternativ VI

Alternativ VI viser en simpel bru konstruksjon, der brukonstruksjonen støttes opp av tre søyler plassert halvveis på midtspennet. Disse vil fungere som hovedbæringen. Utføringen av søylene kan også bestemmes ved at det heller brukes totalt fire søyler istedenfor totalt seg 6 4.1.4.3. Fundamentering og statisk system

For å kunne videreføre kreftene igjennom søylene behøves det å fundamentere ned til bæredyktig lag. Dette må gjøres i form av en dypfundamentering ettersom grunn rapporten oppga dårlige resultater.

4.1.4.4. Estetikk

Brutypen stiller ikke opp med et spesielt design aspekt oppå brubanen, men den vil kunne blende seg med byens utforming. I et tettbygdstrøk som dette vil alternativ VI bidra til at brua blir en naturlig del av gatenettet. Under brubanen vil slanke søyler med en fin helning gi forbipasserende et godt stykke arkitektur. Denne løsningen fungerer som en moderne oppløfting til dagens brutype på Flekkefjord.

En løsning som denne vil kunne tilby en mer romslig opplevelse oppå brubanen. Utformingen av alternativ VI vil opprettholde et godt sikte for både tunge og myke trafikanter. For de befarende under brua vil denne løsningen også tilfredsstille nødvendig plass for ferdsel med båt avhengig av antall og plassering av søylene.

Figur 17 Skisse alt. 6

(26)

26 4.1.5. Sprengverksbru

4.1.5.1. Skisse

Alternativ VII

Alternativ VIII

Alternativ VII og VIII er vanlige sprengverksbruer der hovedbæresystemet holdes oppe av trykkstaver som gjerne står med en vinkel til den vertikale grunnen. Trykkstavene i alternativ VIII vil være slankere, samtidig som vil det være større avstand mellom møtepunktet til stavene, sammenlignet med alternativ VII, som vil ha mer slanke og robuste staver.

For begge alternativene vil trykkstavene holde hele dekke oppe. Kreftene disse stavene tar må videreføres ned til grunnen, akkurat som ved en vanlig buebru (uten staver). Som nevnt tidligere er grunnforholdene ikke gode, i tillegg kan ikke fundamentet forbindes med en nedgravd strekkplate grunnet båtferdsel.

4.1.5.4. Estetikk

Sprengverksbru fremstår ofte som en mellomting mellom en buebru og en bjelkebru.

Alternativ VII vil gi et mer synlig og forståelig bæresystem for passerende enn det alternativ VIII gjør, da trykkstavene vil være lengre, samt trekkes lenger inn mot midtspennet på brua.

Denne brua vil da gi trafikanter en følelse av at bruovergangen er robust og solid, men en slik oppfatning vil dra ned på bruas estetiske inntrykk.

Ingen av bruene har noen karakteristikker når det kommer til forholdene for trafikantene, her vil myke trafikanter ferdes på hver side av bruen. Gjennomseilingsforholdet vil være bedre med alternativ 2, da frihøyden er større med denne løsningen.

4.2. Vurdering av løsninger

Vurderingen av løsningene som er presentert over er gjort i samarbeid med Statens Vegvesen i tillegg til støttelitteratur som har vært tilgjengelig.

4.2.1. Uaktuelle brutyper

Med tanke på grunnforholdene og bruens spennvidde er det i skisseprosjektet ikke lagt i grunn for vurdering av hengebru og klaffebru. Hengebru blir ikke relevant på grunn av dens

(27)

27 dominerende utseende, etter vår mening vil ikke denne typen bru være relevant på en slik lokasjon som Flekkefjord kommune. Videre vil heller ikke den korte spennvidden på 40 meter være gunstig på en hengebru. Som nevnt tidligere blir det heller ikke relevant å analysere klaffebruer, dette på grunn av avgjørelser som er tatt i regi av kommunen.

4.2.2. Vurderingsgrunnlag

Ved vurdering av ulike brutyper er det flere faktorer som har en innvirkning på endelig valg av bru. På bakgrunn av dette har gruppen kommet frem til kriterier som er essensielle ved valg av endelig løsning. Bruene vil dermed bli vurdert etter følgende kriterier:

4.2.2.1. Estetikk

Hvordan vil den spesifikke brua være i forhold til estetikk? Her blir det tatt i betraktning for hvordan bruen ser ut, hvordan den tilpasser seg det urbane miljøet samt hvor appellerende den er til øyet.

Hvordan vil den spesifikke bruas fundamentering og statisk system være? Her blir det tatt i betrakting for vanskeligheter knyttet til fundamentering samt hvor kompleks det statiske systemet er.

Hvordan vil den spesifikke brua være i forhold til de trafikale forholdene i området? Her blir det tatt i betraktning for utsyn fra brua, rom for bryggegjennomgang og båtferdsel.

Andre aspekter som har inngått i karaktersettingen er byggeprosess, økonomi og vedlikehold.

På bakgrunn av at gruppen ikke har nok kunnskap innenfor dette området er det blitt gitt karakter ut ifra konsultasjon med veileder.

4.2.3. Karaktersetting

Basert på de kriterier som har blitt satt, er det gitt en karakter fra 1 til 5 på bruene.

Karakterene gjenspeiler i helhet hvor tilfredsstillende og relevant den spesifikke bruen og brutypen er som ny Flekkefjord bru. Det har blitt gitt karakter for hver av de

underkategoriene som er spesifisert over, videre har bruene blitt gitt en helhetlig samlet karakter.

For å tydeliggjøre karakteren og hvordan bruene skiller seg fra hverandre har gruppen i tillegg benyttet radardiagram. Under følger karaktersettingen;

(28)

28

Tabell 1 Poengsum brutyper

Kriterier I II III IV V VI VII VIII

Estetikk 4 4 5 4 3 3 3 4

Fundamentering/Statisk system 4 3 5 4 2 4 4 3

Trafikale forhold 4 3 5 4 3 5 3 3

Økonomi 2 2 4 3 2 4 2 2

Vedlikehold 3 4 4 3 2 4 3 3

Byggeprosess 2 2 4 3 2 4 3 3

Total 19 18 27 21 14 24 18 18

Figur 19 Radardiagram brutyper

(29)

29

Figur 20 Sammenlikning av brutyper

4.2.4. Endelig valg og begrunnelse

Basert på karaktersettingen og intern vurdering foretatt i gruppen har det blitt besluttet å gå videre med alternativ III og alternativ VI. Gruppen mener at disse alternativene vil passe best som nye brualternativer over Flekkefjord når man tar i betraktning de ulike parameterne som er blitt vurdert.

Alternativ III er en fagverkskonstruksjon med buet overgurt. Bruen er estetisk appellerende, og vurderingen i gruppen er at den vil passe godt i det urbane miljøet i Flekkefjord. Satt i perspektiv med de andre kriteriene som ble fremstilt i vurderingen av bruene, fikk alternativ III en høy poengsum på alle disse. På bakgrunn av dette, ha gruppen valgt å gå videre med alternativ III.

Alternativ VI er en vanlig bjelkebru med et simpelt design, som er nokså velkjent. Selv om bruens estetikk ikke er dens sterkeste side, så oppnår den en relativ høy poengsum på de andre kriteriene som ble framstilt. På bakgrunn av den høye poengsummen har gruppen tatt beslutningen å gå videre med dette alternativet.

4.2.5. Materialvalg

Ved alternativ III skal materiale kunne motstå trykk- og strekkrefter, dermed må betong utelukkes ettersom betong har mye høyere trykkapasitet i forhold til strekkapasitet. I tillegg har materialet en stor tyngde i forhold til blant annet stål og limtre. Både stål og limtre vil være mer aktuelle for alternativ III da begge materialene har kapasitet til å motstå

aksialkreftene som fagverket blir utsatt for. Forskjellen på materialene rettes mot valg av tverrsnitt, der stål har god styrke i forhold til vekt, som muliggjør en slankere konstruksjon i forhold til limtre som krever mer robuste dimensjoner.

Estetisk skal den nye Flekkefjordbruen fremstilles som moderne, men heller ikke skilles seg ut i altfor stor grad. Ettersom bebyggelsen rundt området er fra eldre epoke av varianten trehus, mener gruppen at limtreets fremstilling ikke vil tilfredsstille dette. Derimot kan en stålkonstruksjon gi en sterk følelse av industri og kan oppfattes som moderne.

0 2 4 6 I

II

III

IV V

VI VII

VIII

Sammenlikning

Estetikk Fundamentering/Statisk system

Trafikale forhold Økonomi

Vedlikehold Byggeprosess

(30)

30 De største bestandighetsproblemene ved limtre er oppflising og råte, mens det ved stål kan oppstå korrosjonsproblemer [49]. Hovedsakelig er det skader i overflatebehandlingen av stålet som gir korrosjon og derfor er det viktig med regelmessig kontroll og rengjøring av slike skader for å hindre følgeskader [50]. Limtre beskyttes ved kreosotimpregnering som gir materialet god bestandighet, men fører til drypping av miljøgiftige stoffer, krav om tiltak for oppfanging av drypping gis i N400 Bruprosjektering [51].

Basert på materialenes styrke, slankhet, estetiske uttrykk og vedlikehold mener gruppen at stål vil egne seg best for fagverksbruen i forhold til limtre. Gruppen mener at limtre ikke i like stor grad oppfyller slankhetskravene som ønskes i tillegg til omfattende tiltak som kreves ved vedlikehold.

Ved bjelkebruen vil ikke valg av materiale ha en innvirkning på bruens estetiske utforming da bæresystemet er lite synlig og derfor benyttes det stål. Bjelkebruen er delt i tre spenn med en underbygning av søyler. I dette tilfelle vil stål og betong være aktuelle materialer for disse elementene både estetisk og statisk. Ved et ønske om en slank utforming vil det være vanskelig for betong å oppfylle dette kravet, derimot optimalt for stål.

Det kunne vært en mulighet for å benytte en samvirkebru, men etter gruppens vurdering og anbefaling fra intern veileder i Statens Vegvesen vil dette sette krav til større bredde rundt dimensjoneringen. Det vil derfor ikke være aktuelt med samvirkebru i denne oppgaven.

4.2.6. Brudekke

Valg av brudekke baserer seg på den overnevnte avgjørelsen om å ikke benytte seg av en samvirkebru og dermed velges en stålplate med langsgående stivere i både fagverksbruen og bjelkebruen.

Ved en bru med kjørebane vil en stålplate være en fordel, fordi stiverne gir økt motstand mot nedbøyning slik at stålplaten i større grad skal kunne bære hjullaster og fordele disse kreftene til bærebjelkene. Ikke minst skal stiverne gi en økt motstand mot knekking [52]. Bruk av stålplater vil gi bruen en mindre egenvekt sammenlignet med betong, som vil være en fordel ved videre dimensjonering.

5. Brugeometri

Ved bestemmelse av brugeometri har det blitt satt fokus på universell utforming og

realiserbare ønsker. Målet er å tilrettelegge bruanlegget slik at all form for transportsystem har mulighet til å utnytte dette. En slik tilrettelegging planlegges i samsvar med estetikk, andre utformingskrav og ønsker.

5.1. Bredde 5.1.1. Gangbane

Håndbok N400 Bruprosjektering oppgir breddekravene som fri bredde, med dette menes bredden som er til disposisjon for trafikanter. For våre valgte brutyper skal rekkverk festes

(31)

31 over kantdragere som videre festes på utsiden av de utkragede bjelkene. Det finnes flere andre detaljeløsninger, men gruppen har gått for den ovennevnte løsningen da de utkragede bjelkene ikke blir for lange, samtidig vil kravet om fri bredde oppfylles og ha kontroll på vannavrenningen [53].

Håndbok N100 Veg- og gateutforming E.9 setter krav på fri bredde for fortau som er forbundet med kjørebanen på 2,5 meter og dette vil gjelde for bjelkebruen.

- 2,5 m (fri bredde) + 0,5 m (rekkverk & drager) = 3 m.

For gang-/sykkelvei som er adskilt fra kjørebanen er kravet i Håndbok N100 E.9 for fri bredde på minimum 3 meter. Fagverksbruen må dermed ha en fri fortaus-bredde på 3m.

- 3 m (fri bredde) + 0,5 m (rekkverk & drager) = 3,5 m.

5.1.2. Rekkverk og bærekonstruksjon

I henhold til Håndbok N400 pkt. 4.2.1 kreves det minimum 1 meter fri bredde mellom enden av kjørebanen og overliggende bærende element. Fagverksbruen har er en overliggende bærekonstruksjon (fagverket) og det blir nødvendig med 1 meters fri bredde mellom

kjørebanen og fagverket. For bruer med underliggende bærekonstruksjon er ikke dette kravet relevant og bjelkebruen kommer under denne kategorien.

5.1.3. Kjørebane

Håndbok N100 punkt E.9 spesifiserer at veien på bruen skal ha samme bredde som

tilstøtende vei, samtidig skal denne bredden ikke være smalere enn 7,5 meter. Den tilstøtende veien på Flekkefjord (Brogata) har en fri bredde på ca. 6,5 meter. For å tilfredsstille dette kravet slik N100 presenterer, må Brogata utvides. Dette vil føre til at kompleksiteten til prosjektet vil bli større med tanke på bygninger og veier i området.

Kommunen er veieier og kan godta avvik fra håndbøkene, dette har blitt kommunisert via epost fra Lasse Moen Sørensen som er saksbehandler i fylkesadministrasjonen. Veieieren har innvilget SVV´s søknad om mulighet for fravik fra N100 i dette punktet, dette for best tilpasselighet av brua til miljøet og det totale bildet. Gruppen antar at kommunen også

innvilger vår søknad, altså at kjørebanen på begge bruene får en bredde på 6,5 meter, akkurat som den tilstøtende veien.

5.2. Kruve / stigningsforhold:

Høydeavstanden mellom middelvann og brukant ligger på 2,5 meter, dette kommer fram i detaljtegninger av dagens brukonstruksjon, se vedlegg G. Gruppen ønsker en seilingshøyde på 3,5 meter, dersom dette skal være mulig må bruene være buet med en vertikalkurvatur på R = 200 m. Et slikt tiltak innebærer 1 meter økning i overhøyde på midten av bruene.

Bruspennet ligger på 40 meter, for å få til 1 meters høydeøkning er det nødvendig med en stigning på 1:20 (5 %).

Som nevnt innledningsvis vil universell utforming bli ivaretatt. Brudekket har en overhøyde og det kreves at det tas hensyn til stigningsforhold. Håndbok V129 Universell utforming av

(32)

32 veger og gater pkt. 5, referer til byggeteknisk forskrift og viser at universellutformingskravet for stigningsforhold er 1:20 (5 %). Dette betyr at en stigning på 1:20 (5 %) vil tilfredsstille ønske om en seilingshøyde på 3,5 meter, men samtidig ivareta den universelle utformingen.

5.3. Oversikt over avstander for fagverksbrua og søylebrua:

Tabell 2 Geometri fagverksbru Fortau Rekkverk &

bæres.

Kjørebane Stigning

Krav Håndbok N100, 3 m

Håndbok N400, 1 m

Håndbok N100, 7,5 m

Håndbok NV129, 5

%

Fagverksbru 3 m + 0,5 m 1 m 6,5 m 5 %

Total (3,5 ∙ 2) + (1 ∙ 2) + 6,5 = 15,5 m 1 m

Tabell 3 Geometri søylebru

Fortau Rekkverk & bæres. Kjørebane Stigning Krav Håndbok N100, 2,5 m Ingen Håndbok N100, 7,5 m Håndbok NV129, 5 %

Søylebru 2,5 m + 0,5 m Ingen 6,5 m 5 %

Total (3 ∙ 2) + 6,5 = 12,5 m 1 m

6. Laster

Laster og påkjenninger blir definert gjennom flere standarder. Både NS-EN 1990 og NS-EN 1991-1-1 er sentrale standarder når det kommer til definering av påkjenningene som

konstruksjonen blir utsatt for. I tillegg blir NS-EN 1991-2 en viktig standard for videre beregning av de variable lastene.

6.1. Permanente laster

I henhold til håndbok N400 Bruprosjektering er de permanente lastene definert som; Laster som kan anses som konstante innenfor det tidsrom som betraktes [54].

Videre blir egenlaster og andre permanente laster definert grundigere i NS-EN 1991 Eurokode 1: Laster på konstruksjoner - Del 1-1: Allmenne laster - Tetthet, egenvekt og nyttelaster i bygninger.

Egenlasten er den størst dominerende av de permanente lastene. Lasten tar for seg tyngden til hele konstruksjonen, samt alle installasjoner som inngår i konstruksjonen. Slitelaget inngår også i egenlasten, det samme gjelder lasten av kantdragere og rekkverket, disse blir framover kalt for super-egenvekt.