BACHELOROPPGAVE
BACHELOROPPGAVENS TITTEL
Prosjektering av gang- og sykkelbru
DATO
24.05.2016
ANTALL SIDER / ANTALL VEDLEGG
92/29 FORFATTER
Jarle Bergo, Shehroz Shirazi, Sunniva Øvrelid Slettebakk
VEILEDER
Christian Nordahl Rolfsen
UTFØRT I SAMMARBEID MED Statens Vegvesen
KONTAKTPERSON Eldar Høysæter
Bodil Bratberg SAMMENDRAG
I forbindelse med bygging av gang- og sykkelbru over Skogsfjorden, i Mandal kommune, har gruppen fått i oppdrag av Statens Vegvesen å utarbeide et prosjekteringsforslag. Oppgaven inneholder vurderinger av utvalgte områder som må tas hensyn til i en prosjekteringsprosess, og den tar utgangspunkt i dimensjoneringen og utformingen av to bru- konstruksjoner, henholdsvis fagverksbru og innspent bru. Oppgaven belyser viktige valg som tas underveis i prosessen, og effektene av disse. Dette er bestemmelser som omfatter blant annet brutype, materiale, statisk system og opplagring.
De to brukonstruksjonene er dimensjonerte med hensyn på elementenes kapasitet og bruksgrensekrav. Resultatet av disse beregningene satt i sammenheng med estetikk og funksjonalitet utgjør de viktigste vurderingskriteriene i total- vurderingen av de to bruene.
Målet med oppgaven er å komme frem til hvilken brukonstruksjon som egner seg best med hensyn på estetikk, teknisk utførelse og funksjonalitet. Problemstillingen er sammensatt, og den krever at man arbeider på tvers av ulike
fagområder. Prosessen bak store deler av arbeidet kjennetegnes av at man undersøker, utvikler, tester, endrer og konkluderer om hverandre.
3 STIKKORD Bru
Prosjektering Dimensjonering
Institutt for Bygg- og energiteknikk
Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 Oslo Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo
GRUPPE NR. 29
Telefon: 67 23 50 00 www.hioa.no
TILGJENGELIGHET ÅPEN
Forord
Våren 2016 gjennomførte studentene ved Høyskolen i Oslo og Akershus en hovedoppgave for å markere slutten på et treårig bachelorprogram, innen ingeniørfaget – bygg. Oppgaven er et gruppearbeid bestående av tre studenter, og tilsvarer 20 studiepoeng. Den
representerer tre spennende år med hardt arbeid, og belyser ulike kunnskaper studentene har opparbeidet seg i løpet av utdanningen.
Denne oppgaven omhandler prosjektering av gang-‐ og sykkelbru, og er skrevet i samarbeid med Statens Vegvesen. Forfatterne av oppgaven har gått studieretningen konstruksjons-‐
teknikk, hvilket innebærer at interessen for styrkeberegning og byggteknisk konstruksjon er stor. Dette gjenspeiles i oppgaven da hovedtyngden er konsentrert rundt dimensjoneringen av brukonstruksjonene. Kvaliteten av oppgaven oppleves bedre dersom leseren har noen kunnskaper innenfor feltet fra før av. I tillegg legges det til grunn at man kjenner til Norsk Standard og Håndbøker utgitt av Statens Vegvesen.
Det har vært en lærerik prosess som har bidratt til både personlig-‐ og faglig utvikling.
Utviklingen av en bru fra ide til ferdig konstruksjon, har gitt oss innblikk og kunnskap om de ulike fasene i et slikt prosjekt og betydningen av disse. Viktigheten av samarbeid og
delegering av arbeid har vært av stor betydning gjennom hele prosjektet. Vi har utnyttet hverandres styrker og spilt hverandre gode. Planlegging, diskusjon og evne til å gjennomføre har vært viktig. Oppgaven har bidratt til faglig utvikling på to måter. For det første har forståelsen for allerede iboende kunnskaper blitt større, og for det andre har
kunnskapsplattformer blitt utvidet.
Forfatterne ønsker å rette en stor takk til eksterne veiledere i Statens Vegvesen, Eldar Høysæter og Bodil Bratberg, for deres inspirasjon og faglige veiledning. Videre vil vi rette en stor og særlig takk til Alejandro Figueres som alltid stiller opp for spørsmål og hjelp. Uten han ville arbeidet i Robot vært langt mer tidkrevende. Takk også til vår interne veileder Christian Nordahl Rolfsen for gode tilbakemeldinger. Avslutningsvis må vi få takke Høyskolen i Oslo og Akershus for tre fine og lærerike år.
Oslo, 21.mai 2016
____________________ ____________________ ____________________
Sunniva Ø. Slettebakk Jarle Bergo Shehroz Shirazi
Innholdsfortegnelse
Forord ... ii
Innholdsfortegnelse ... iii
Sammendrag ... 1
Abstract ... 2
Figurliste ... 3
Tabelliste ... 6
1.0 Innledning ... 7
1.1 Bakgrunn ... 7
1.2 Beskrivelse av området ... 8
1.2.1 Natur og omgivelse ... 8
1.2.2 Grunnforhold ... 9
1.3 Hensikt ... 9
1.4 Problemstilling ... 9
1.4.1 Estetikk ... 10
1.4.2 Teknisk utførelse ... 10
1.4.3 Funksjonalitet ... 10
1.5 Forutsetning ... 11
1.6 Begrensninger ... 11
1.6.1 Geotekniske forhold ... 11
1.6.2 Grensetilstander og lastkombinasjoner ... 12
1.6.3 Dynamisk analyse ... 12
1.6.4 Økonomiske aspekter ... 13
2.0 Metode ... 13
2.1 Valg av metode ... 13
2.2 Datainnsamlingsmetode ... 14
2.3 Dataverktøy ... 14
2.4 Utfordringer og tiltak for å redusere feil ... 15
3.0 Teori ... 15
3.1 Estetikk og miljø ... 15
3.1.1 Verdien av estetikk ... 16
3.2 Bruas forhold til omgivelsene ... 16
3.2.1 Brua og landskapet ... 16
3.2.2 Opplevelse av brua ... 17
3.3 Bruas karakter ... 17
3.4 Bruanleggets situasjon ... 17
3.5 Brutyper ... 18
3.5.1 Buebru ... 18
3.5.2 Bjelkebru, platebru og kassebru ... 19
3.5.3 Skråstagbru ... 21
3.5.4 Fagverksbru ... 23
3.6 Materialer ... 24
3.6.1 Stål ... 24
3.6.2 Betong ... 25
3.6.3 Tre ... 25
3.6.4 Kompositt ... 26
4.0 Skisseprosjekt ... 27
4.1 Veien frem til skisseprosjektet ... 27
4.2 Betydningen av opplagertype ... 27
4.2.1 Fritt opplagt versus fast innspent ... 28
4.2.2 Muligheter for innspent brukonstruksjon ... 28
4.2.3 Ideer til innspent brukonstruksjon ... 29
4.3 Vurdering av brutyper ... 29
4.3.1 Buebru ... 30
4.3.2 Innspent brukonstruksjon ... 32
4.3.3 Skråstagbru ... 35
4.3.4 Fagverksbru ... 37
4.3.5 Vippebru ... 39
4.4 Evaluering av brukonsepter ... 40
4.5 Materialvalg ... 41
4.6 Detaljeringer ... 41
4.6.1 Brudekke og belegning ... 41
4.6.2 Rekkverk ... 42
4.6.3 Belysning ... 42
5.0 Konsept – Innspent bru ... 43
6.0 Konsept – Fagverksbru ... 44
7.0 Prosjekteringsforutsetninger ... 45
7.1 Tverrprofil ... 45
7.2 Friromsprofil ... 46
7.2.1 Fri høyde til terreng ... 46
7.2.2 Vertikal klaring til sjø ... 46
7.3 Rekkverk ... 47
8.0 Laster ... 47
8.1 Egenlast ... 48
8.2 Snølast ... 49
8.3 Vindlast ... 50
8.4 Trafikklast ... 54
8.5 Grensetilstander ... 56
8.6 Bruddgrensetilstand ... 56
8.7 Bruksgrensetilstand ... 56
8.8.1 Basis lasttilfeller ... 57
8.8.2 Lastkombinasjoner ... 58
9.0 Analysemodell ... 59
10.0 Påføring av laster på elementene i Robot ... 62
10.1 Fagverksbrua ... 62
10.2 Innspent bru ... 62
11.0 Beregning av laster på elementene i Robot ... 63
11.1 Generert egenvekt ... 63
11.2 Egenvekt fra plate og stivere ... 63
11.3 Innvendige stivere i kasseprofil ... 64
11.4 Belegningslast ... 65
11.5 Rekkverkslast ... 65
11.6 Trafikklast ... 65
11.7 Snølast ... 65
11.8 Vindlast ... 66
12.0 Dimensjonering ... 68
12.1 Fagverksbru ... 69
12.1.1 Parameterstudie ... 70
12.1.2 Dimensjonering av overgurt ... 72
12.2 Innspent brukonstruksjon ... 73
13.0 Montasje, og sjekk av elementer under løft ... 77
13.1 Bygging og transport ... 77
13.2 Løftetilstand ... 77
13.3 Montasje av innspent bru ... 78
14.0 Brulagere ... 79
15.0 Peler og pelefundament ... 80
16.0 Kostnadsestimat av de to bruløsningene ... 81
16.1 Innspent bru ... 82
16.2 Fagverksbru ... 82
17.0 Overflatebehandling ... 82
18.0 Konklusjon ... 83
Litteraturliste ... 84
Kildeliste: Figurer & tabeller ... 89
19.0 Vedlegg ... 92
Sammendrag
I forbindelse med bygging av gang-‐ og sykkelbru over Bankefjorden, i Mandal kommune, har gruppen fått i oppdrag av Statens Vegvesen å utarbeide et prosjekteringsforslag. Andelen myke trafikanter øker i takt med samfunnsvekst, miljøutvikling og et stadig større fokus på helse. Følgelig er derfor behovet for trygge og attraktive tilbud, tilpasset denne trafikant-‐
gruppen både ønskelig og tiltrengt.
Denne oppgaven inneholder vurderinger av utvalgte områder som må tas hensyn til i en prosjekteringsprosess, og den tar utgangspunkt i dimensjoneringen og utformingen av to brukonstruksjoner, henholdsvis fritt opplagt fagverksbru og innspent bru. Oppgaven belyser viktige valg som tas underveis i prosessen, og effektene av disse. De to brukonstruksjonene er dimensjonerte med hensyn på elementenes kapasitet og bruksgrensekrav. Resultatet av disse beregningene, satt i sammenheng med estetikk og funksjonalitet utgjør de viktigste vurderingskriteriene i totalvurderingen av de to bruene.
Målet med oppgaven er å komme frem til hvilken brukonstruksjon som egner seg best med hensyn på estetikk, teknisk utførelse og funksjonalitet. Problemstillingen er sammensatt, og den krever at man arbeider på tvers av ulike fagområder. Metodikken i oppgaven varierer avhengig av hva som undersøkes. Mens noen fagområder har behov for kvalitativ
undersøkelse i form av litteraturstudie, må andre betraktes kvantitativt gjennom
beregninger og tallmessige analyser. På bakgrunn av dette vil en kombinasjonsmetode være mest passende. Prosessen bak store deler av arbeidet kjennetegnes av at man undersøker, utvikler, tester, endrer og konkluderer om hverandre. Denne måten å arbeide på har vært svært tidkrevende da hver enkelt beslutning har vært oppe til grundig diskusjon og vurdering innad i gruppen.
Dimensjoneringsverktøyet Robot har vært et sentralt hjelpemiddel under dimensjoneringen av brukonstruksjonene. Gruppen har blant annet benyttet seg av programmets analyse-‐ og simuleringsmuligheter hvilket har vært gunstig med tanke på tidsbesparelse. Samtidig har det vært fordelaktig å modellere konstruksjonene i både 2D og 3D. Den viktigste kilden til innhenting av informasjon har først og fremst vært håndbøkene utgitt av Statens Vegvesen. I tillegg har Norsk Standard vært uunnværlig i løpet av dimensjoneringsprosessen.
Kort oppsummert er begge bruene likeverdige med tanke på tekniske utførelse og funksjonalitet. Når det kommer til estetikk og dets betydning så er det i stor grad en
preferansesak. Det vil si at så lenge økonomi ikke er bestemmende for det endelige valget så er det den enkeltes synpunkt som er utfallsgivende.
Med bakgrunn i dette mener gruppen at fagverksbrua er den beste løsningen i henhold til problemstillingens kriterier, da de synes den konstruksjonen er den mest interessante. Det er etter gruppens oppfatning mer hensiktsmessig å prioritere en spenstig gang-‐ og sykkelbru, og la fremtidig bilbru føye seg etter denne.
Abstract
Since Statens vegvesen are planning a pedestrian bridge crossing Bankefjorden in Mandal, they have engaged us to deliver a preliminary project. In contemporary cities, the presence of pedestrians and cyclists are evolving in correlation to community development, growing concern of environmental impact and the increased focus on health. Thereby, the necessity of safe, reliable and attractive roads for these users are emerging and highly needed.
This report contains evaluations of selected areas of a construction project that the project team need to address. Two bridges have been designed both structural and architectural, the first being a truss bridge, and the latter a fixed slim bridge. This report sheds light on important issues arising when dealing with a bridge structure. Furthermore, it describes the effects of choices made such as type of bridge, materials used, static system and support types. These bridges have been designed to withstand torsion, shear, moment, buckling and lateral buckling. In final evaluation of the bridges, the calculations results have significantly importance, in addition to esthetic qualities and functionality.
The aim of this report is to find the most suitable bridge structure in regards of aesthetic qualities, technical implementation and functionality. The thesis question is compound and requires the authors to work interdisciplinary. The group have implemented both qualitative and quantitative methods, in the form of literature review and calculations. Consequently, research by design is most suitable. Mainly the work process have been through a cycle of research, development, testing, revision and conclusion. Although, this approach method have been time consuming, due to profound discussions and evaluations on each decision by the group members.
The structural program Robot has proven to be a key tool for designing the bridge structure.
Utilization of analysis and simulations tools, have resulted in more automated processes, which have led to time saving. Moreover, it has been beneficial to create models in both 2D and 3D. The primary source for technical requirements and specifications for the structure have been the manuals produced by Statens vegvesen. Additionally, the Norwegian Standard manuals have provided with immense guidance in design criteria.
Briefly summarized both bridges are equally valued in regards of technical implementation and functionality. When it comes to aesthetic and its implications it is highly a personal belief. As long as economics are not critical, it depends on the personal preferences.
In regards of the thesis statement, the group believes that the truss bridge is the best solution and perceives this as the most interesting structure. It is more appropriate to prioritize an exciting pedestrian bridge rather than a vehicle bridge. Upcoming bridge should adapt itself in regards of an exciting pedestrian bridge.
Figurliste
Figur 1. Oversiktskart
Figur 2. Område rundt brustedet Figur 3. Overliggende brudekke Figur 4. Underliggende brudekke Figur 5. Nettverksbuebru
Figur 6. Fordeling av krefter i buebru
Figur 7. Bjelkebru med rektangulære betongbjelker Figur 8. Bjelkebru med I-‐bjelker i stål
Figur 9. Platebru
Figur 10. Bjelkeplatebru Figur 11. Kassebru med to steg Figur 12. Kassebru med fire steg Figur 13. Skråstagbru
Figur 14. Skråstagbru med viftestag Figur 15. Skråstagbru med harpestag Figur 16. Fordeling av krefter i skråstagbru
Figur 17. Parallellfagverksbru med overliggende brudekke Figur 18. Fritt opplagt fagverksbru med buet overgurt Figur 19. Fordeling av krefter i Fagverksbru
Figur 20. Fritt opplagt bjelke
Figur 21. Innspent bjelke i begge ender Figur 22. Moment-‐ og skjærkraftdiagram Figur 23. Moment-‐ og skjærkraftdiagram Figur 24. Tre-‐ledds buebru
Figur 25. Buebru med enkel bue i senter av brubanen, sentrisk vertikale strekkstag Figur 26. Buebru med endespenn, sentrisk vertikale strekkstag
Figur 27. Moment-‐ og skjærkraftdiagram Figur 28. Innspent bru
Figur 29. Bruprofil, snitt a-‐a i figuren ovenfor Figur 30. Moment-‐ og skjærkraftdiagram
Figur 31. Skråstagbru
Figur 32. Skråstagbru med rett pylon, i senter av brubanen Figur 33. Skråstagbru med skjev pylon, på kanten av brubanen Figur 34. Moment-‐ og skjærkraftdiagram
Figur 35. Fagverksbru innspent i begge ender Figur 36. Vippebru
Figur 37. Rekkverket på Tullhusbroen
Figur 38. Rekkverket på Puente de la exposicion Figur 39. Lysdesign, Akrobaten bru
Figur 40. Lysdesign, Ypsilon bru Figur 41. Lysdesign, Smålenene bru
Figur 42. Skisse, innspent brukonstruksjon sett fra siden Figur 43. Detaljskisse, innspent brukonstruksjon
Figur 44. Skisse, fagverksbru sett fra siden Figur 45. Skisse, fagverksbru sett oven ifra Figur 46. Detaljskisse snitt A-‐A
Figur 47. Detaljskisse snitt B-‐B
Figur 48. Fri høyde fra underkant av brua til terreng Figur 49. Eksponeringsfaktor
Figur 50. Karakteristisk last fra tjenestebil
Figur 51. Bærekonstruksjon til begge bruer (ikke i skala) Figur 52. Vindfagverk, fagverksbru
Figur 53. Vindfagverk, innspent bru
Figur 54. Frihetsgrader i søyler innspent bru Figur 55. Offsets i fagverksbru
Figur 56. Offset i undergurten Figur 57. Offset i innspent bru
Figur 58. «Oppleggsbjelker» ved bruas ende Figur 59. Trekantlaster på fagverksbrua Figur 60. Lastpåføring på innspent bru Figur 61. Typisk plate og stiver
Figur 62. Illustrasjon av stivere i kasseprofilet
Figur 63. Påføring av last fra stivere i innspent bru
Figur 64. Figurer av antatte dimensjoner for rekkverkets komponenter Figur 65. Rekkverkslast på fagverksbru
Figur 66. Rekkverkslast på innspent bru Figur 67. Vindlaster fagverksbru
Figur 68. Vindlaster innspent bru
Figur 69. Tommy en fremtidig ingeniør?
Figur 70. Profil og designvalg i første analysemodell av fagverksbrua
Figur 71. Nedbøyning ute og inne midt i bruas spenn, samt ny løsning av undergurt Figur 72. Parameterstudie i grafer
Figur 73. Undergurtens dimensjon, fagverksbru Figur 74. Knekningsform for overgurt
Figur 75. Kodesjekk overgurt
Figur 76. Forenklet tverrsnitt for kasseprofilet i innspent bru Figur 77. Kritisk snitt for dimensjonering av innspent bru Figur 78. Fordeling av profilene i analysemodellen Figur 79. Tverrsnittsstørrelser
Figur 80. Simulering av løftetilstanden i Robot
Figur 81. Elementer som ikke tåler montasjetilstanden er markert i blått Figur 82. Løsning med strekkstag for å sikre kapasitet i montasjetilstanden Figur 83. Oppsett av brulagere
Figur 84 Ferdige konstruksjoner
Tabelliste
Tabell 1. Valg av brutype ved poengscore Tabell 2. Dimensjonerende belegningsvekt Tabell 3. Snølast
Tabell 4. Referansevindhastighet Tabell 5. Terrengparametere Tabell 6. Basis lasttilfelle
Tabell 7. Lastsum for alle basislaster for fagverksbrua Tabell 8. Lastsum for alle basislaster for innspent bru Tabell 9. Lastkombinasjoner for begge bruer
Tabell 10. Utregning av lastfaktorer iht. Eurokoden
Tabell 11. Utregning av bøyespenninger for utvalgte stivere Tabell 12. Utregning av formfaktor for rekkverk
Tabell 13. Vindlaster på elementer i fagverksbrua Tabell 14. Vindlast på innspent bru
Tabell 15. Endelige dimensjoner på bruas ulike element Tabell 16. Endelige dimensjoner på bruas ulike elementer Tabell 17. Regneark for dimensjonering av kasseprofilet Tabell 18. Valgte dimensjoner for profilet i kritisk snitt Tabell 19. Valg av lager for de to bruene
Tabell 20. Totalkostnad for innspent bru Tabell 21. Totalkostnad for fagverksbru
1.0 Innledning
Hvert år blir det distribuert store ressurser og pengesummer som går til ulike veiprosjekter rundt om i Norge. Et godt og sikkert nasjonalt veinett er viktig for samfunnsutvikling og trygg ferdsel for alle. En velfungerende infrastruktur knytter fylker, kommuner og tettsteder sammen. Målet bør være å fremme effektiv og trygg ferdsel i et bærekraftig-‐ og miljøbevisst perspektiv. Dette er en visjon som er grunnleggende og ikke minst tjenende for alle næringer og privatpersoner som avhenger av transport på tvers av geografiske områder.
Med Norges langstrakte kyst, og tilhørende fjorder og dalfører er brukonstruksjoner en naturlig del som inngår i veiprosjekter rundt om i landet. I løpet av de siste årene har det skridd frem en holdningsendring hos planleggere og konstruktører når det kommer til bruer.
«En bru er noe mer enn en konstruksjon som gjør det mulig å krysse en hindring – den er ofte et symbol på et sted eller en referanse på reisen» (Selberg og Gulbrandsen, 2012, s.18).
Nettopp dette er noe av det som gjør brukonstruksjoner så interessante, og som ingeniør blir man utfordret på flere plan. Samtidig som en må imøtekomme alle tekniske
kvalitetskrav, så ønsker en gjerne å bidra til et stykke brubyggerkunst.
I perioden fra 2014 til 2017 har Statens vegvesen over 60 vegprosjekter som enten skal stå ferdige-‐ eller som skal påbegynnes i denne perioden, og mange av dem er langs kysten (Statens vegvesen, u.d.). Dette impliserer at brukonstruksjoner er høyst aktuelt i mange av disse prosjektene.
1.1 Bakgrunn
På fylkesvei 202 øst for Sånum i Mandal finner man Bankebrua som ble oppført i 1962. Brua krysser Bankefjorden og har ei total lengde på cirka 55 meter, med største spennvidde på omtrent 19 meter.
Figur 1. Oversiktskart
Selve brukonstruksjonen er enkel, og den er i prinsippet en bjelkebru i stål. Med hensyn på båttrafikken i sundet er bruen konstruert som en vippebru.
Klaffefunksjonen har vært ute av drift siden 2013. For båtførere med større båter er dette problematisk da seilingshøyden kun er 3 meter ved normal vannstand. Bankebrua er gammel og imøtekommer funksjonalitet og sikkerhet på en lite tilfredsstillende måte. Nåværende bru er ikke tilrettelagt for gang-‐ og sykkeltrafikk. Krysningsmulighetene for denne
trafikantgruppen er begrenset til et smalt felt på rundt en halvmeter på hver side av kjørebanen, og det er ikke satt opp rekkverk inn mot kjørebanen (Torkelsen, 2016). Disse forholdene er urovekkende når bortimot daglig trafikk over brua involverer ferdsel av skolebarn. Gruppen har etter møte med Statens vegvesen, fått informasjon om at fremtidig utbygging av området på Sånum-‐siden ikke er aktuelt før ny gang-‐ og sykkelbru er oppført.
Grunnet dagens brusituasjon har det vokst frem et økende engasjement blant lokale innbyggere og andre interessenter som ønsker å sette ny gang-‐ og sykkelbru på
dagsordenen. Det ønskes ei bru forbeholdt myke trafikanter, som bygges separert, men ved siden av nåværende bru.
1.2 Beskrivelse av området
Bankebrua knytter tettstedet Sånum i vest, til Furulunden i øst. I følge Mandal kommune er Sånum et område med stort potensial for utbygging og vekst, men disse
utviklingsmulighetene er per i dag satt på vent. Dette skyldes manglende tilretteleggelse for fotgjengere og syklende, såkalt myke trafikanter. Mandal kommune ønsker at området skal ha god fremkommelighet for gående og syklende, og er i den forbindelse med i det statlige sykkelbyprosjektet (Statens Vegvesen, 2015a).
1.2.1 Natur og omgivelse
Området er flatt med relativt lett skogvekst, noe som gjør stedet oversiktlig. Dagens bru er plassert på et punkt hvor fjordens bredde er omtrent 55 meter. Området kjennetegnes av å ligge ved kysten da det er omgitt av fjære, holmer og sandstrender. Bankebrua ligger laglig til, i idylliske omgivelser. Bruovergangen ligger nokså skjermet mot åpent hav, og
vanndybden varierer mellom 4 og 18 meter.
Området rundt selve bruovergangen er godt tilrettelagt for myke trafikanter, ved at det er etablert flere gangstier. Dette er en faktor som appellerer til turgåere.
1.2.2 Grunnforhold
Gruppen tar utgangspunkt i grunndata tilsendt fra Statens Vegvesen. Dette er
grunnundersøkelser som ble utarbeidet i forbindelse med byggingen av eksisterende bru.
Undersøkelsene viser at grunnforholdene er dårlig. Det er langt til fjell, og jordmassen har lag av kvikkleire. I vedlegg A finner man grunnundersøkelsen som er utført.
1.3 Hensikt
Gjennom et snart treårig bachelorprogram har studentene blitt presentert for bruddstykker innenfor ingeniørfaget. Læringskurven har vært bratt, og man har opparbeidet seg både overflate-‐ og dybdekunnskap innenfor flere fagområder. Studentene har generert lærdom om ulike temaer som materiallære, mekanikk, statikk så vel som økonomi og prosjektledelse.
Et steg videre i læringsprosessen er å se på hvordan teorien og kunnskapen kan anvendes i en større og mer kompleks kontekst.
Hensikten med denne oppgaven er derfor å frambringe en bredere forståelse for
sammenhengen mellom de ulike elementene som inngår i en prosjekteringsprosess. Statens vegvesen definerer begrepet bruprosjektering på følgende måte:
Alt arbeide forbundet med valg av brutype og utstyr, konstruktiv utforming,
bestemmelse av laster og lastkombinasjoner, beregning og dimensjonering, tegning, byggverksbeskrivelse, beskrivelse av utførelsen, dokumentasjon, kontroll og godkjenning av prosjekteringen (Statens vegvesen, 2009a, s. 26).
Målet er at gruppen skal være i stand til å se sammenhenger, virkninger og konsekvenser av alle valg som tas underveis i prosessen. Valgene bestemmes ut i fra kriterier sett i forhold til blant annet byggbarhet, estetikk, bestandighet, brukervennlighet, sikkerhet og økonomi.
Forfatterne ønsker å ta i bruk kunnskaper fra mekanikkfaget, og da med hovedvekt på statikk og fasthetslære. Et mål for prosjektet er å undersøke.
Til sist er det hensiktsmessig å foreta en kritisk evaluering av alle steg i prosessen. Dette gjelder i hovedsak kontroller knyttet til inndata i analyseprogrammet samt resultater.
1.4 Problemstilling
I løpet av et prosjekt blir prosjekteringsteamet kontinuerlig stilt ovenfor viktige beslutninger som må tas. Gjennom denne oppgaven ønsker forfatterne å analysere og drøfte ulike sider ved en prosjekteringsprosess. Valg som tas underveis i prosessen vurderes grundig for å sikre at resultatet blir optimalt. I et hvert byggeprosjekt streber man etter å finne de mest
hensiktsmessige og fornuftige løsningene.
Forfatterne ønsker å inkorporere en viss bredde i problemstillingen. De er derfor anvendt vide begreper som omfatter flere områder. Problemstilling lyder som følger:
«Hvilken brukonstruksjon egner seg best over Bankefjorden med hensyn på teknisk utførelse, estetikk og funksjonalitet?»
1.4.1 Estetikk
Med estetikk så mener vi den totale opplevelsen brua gir til omgivelsene, både i sin helhet og fra hvert enkelt element. Begrepet estetikk kan på den ene siden forstås som noe som rører ved en persons sanselige spekter. Hvordan en person oppfatter og sanser omgivelsene og fysiske gjenstander er individuelt. En opplevelse kan vekke følelser og påvirke sinnet. Med dette i tankene ønsker gruppen å oppnå en bru som tilfører området og brukerne noe
ekstra. På en annen side omfatter estetikk selve utformingen av brua. Her refereres det til bruas anonyme eller dominerende tilstedeværelse, særegne konstruksjon, dens linjeføring og geometriske form. Særlig valg av brutype og dens tilhørende utforming er viktig. I tillegg er materialvalg en viktig parameter for estetikken. Det ønskes å sette fokus på at brua skal være i harmonisk samspill med omgivelsene. I tillegg er det viktig at alle involverte
elementer er i likevekt, og at de fremhever hverandre på en positiv måte.
1.4.2 Teknisk utførelse
Teknisk utførelse omfatter alt som har med konstruktiv utforming, valg opplagring, statisk analyse, lastvirkningsanalyse og sikkerhet. Her spiller beregning og dimensjonering en sentral rolle. I tilknytning til dette må man sørge for å oppfylle ulike krav bestemt av
gjeldende spesifikasjoner og standarder. I tillegg må det utføres nødvendige kontroller for å sikre at kravene er tilfredsstilt. Videre omfatter teknisk utførelse en vurdering knyttet til grunnforhold og fundamentering. Begrepet inkluderer også en overveielse for om
konstruksjonen er gjennomførbar med tanke på byggbarhet og montasje. Her legges det til grunn at det velges løsninger og byggesystemer som kan realiseres.
1.4.3 Funksjonalitet
Begrepet funksjonalitet omhandler i denne oppgaven universell utforming praktiske
løsninger samt enkle økonomiske betraktninger. Gruppen ønsker en brukonstruksjon som i kombinasjon med høy brukervennlighet, har god bestandighet og minimale
vedlikeholdsbehov. Disse kriteriene blir i stor grad påvirket av hvilke materialer som inngår i konstruksjonen, og hvilket statisk system som blir gjeldende.
Med ordet brukervennlighet menes det at brua skal være tilrettelagt for alle brukergrupper i samfunnet. Utformingen skal på ingen måte sette begrensninger, eller by på utfordringer for fremtidige brukere. I forbindelse med dette er det tatt hensyn til universell utforming.
Økonomiske aspekter omfatter primært kostnader knyttet til materialbruk, fundamentering og bru-‐ og landskapsarbeid. Selv om økonomien ikke nødvendigvis er avgjørende for valgene som blir tatt, ønsker gruppen å vektlegge dette i den grad det er mulig. For å estimere materialkostnader tas det utgangspunkt i materialpriser som har vært brukt i
kostnadsoverslag i tidligere forprosjekt. Anslag av montasjekostnader baseres på hvorvidt bruen kan bygge og løftes på plass ved hjelp av kraner, eller om den må plassbygges. Dette er bestemmende for hvilket grunnarbeid det er behov for, noe som har mye å si for
økonomien da fundamentering ofte er dyrt. Vedlikeholdskostnader omfatter overflatebehandlinger, behov for eventuelle utskiftinger med tiden, materialers bestandighet og diverse oppfølgingskontroller.
1.5 Forutsetning
Det er lite som legger føring for hvordan gruppen velger å gå frem med prosjekteringen av gang-‐ og sykkelbrua. Gruppen står derfor fritt til å forme prosjektet i den retningen de selv ønsker, men med ett unntak. Det skal ikke være fysisk kontakt mellom nåværende bru, og kommende bru. Løsningen er å plassere den nye brua på sydsiden av den gamle Bankebrua.
Denne bestemmelsen resulterer i et større spenn da fjorden her er noe bredere. Total spennvidde blir omtrentlig 65 meter.
På grunn av oppgavens manglende grenser er det en utfordring å konkretisere og avgrense prosjektet slik at innholdet samsvarer med gitt tidsramme. Som et resultat av prosjektets utallige utviklingsmuligheter, har gruppen valgt å begrense oppgaven ved å selv sette noen rammevilkår. Dette er forutsetninger gruppen er fast bestemt på å oppnå, og de er som følger:
• Seilingshøyden skal være 4,5 meter, eller høyere ved normal vannstand.
• Unngå nedføringer i fjorden.
• Stigningen på gang-‐ og sykkelbanen skal ikke være brattere enn 1:16.
I tillegg til disse tre kravene er det diskutert hvilke andre forhold som særlig ønskes innfridd.
For det første legges det vekt på at brua skal være vakker å se på. Målet er å oppnå en spennende konstruksjon som kjennetegnes av stikkord som spenstig, slank, elegant og nytenkende. Gruppen ønsker en utforming som er slik at samspill med fremtidig trafikkbru blir best mulig. For det andre ønsker forfatterne å tilstrebe en god montasjeløsning som fremmer effektivitet og lønnsomhet i prosjektet. Det anses som viktig at bruene kan fabrikkeres på egnet verksted og fraktes til sundet på lekter og løftes på plass med kranfartøy. Det vektlegges at alle løsninger skal være realistiske og gjennomførbare.
1.6 Begrensninger
For å unngå at oppgaven blir altfor omfattende er det nødvendig å foreta ulike forenklinger.
Det vil si at gruppen nedprioriterer eller gjør enkelte antagelser omkring ulike temaer som blir berørt underveis i oppgaven. Dermed kan det fokuseres på fagområder som er mer relevante i forhold til byggingeniørfaget. Det er viktig å understreke at effektene av de aktuelle forenklingene som gjøres ikke er neglisjerbare. Hovedårsaken til forenklingene er med hensyn på begrenset tid, og ikke på grunn av ubetydelighet.
1.6.1 Geotekniske forhold
Geoteknisk undersøkelse er avgjørende og ikke minst nødvendig som beslutningsgrunnlag i ethvert byggeprosjekt. Datainnsamling om grunnforhold brukes som utgangspunkt i samtlige prosjekteringer, og det er bestemmende for videre arbeid. Tilstrekkelig informasjon om
grunnforholdene er viktig for å treffe riktig beslutning hva gjelder tekniske løsninger, sikkerhet og kostnadsberegninger (Statens kartverk, 2011).
Til tross for dette har gruppen bestemt at de ikke vil bruke særlige ressurser på å innhente fersk, og detaljert informasjon om hvordan grunntilstandene er i området per i dag. Videre har gruppen, i rådføring med både intern-‐ og ekstern veileder, besluttet å ikke regne på fundament og peler. i stedet vil det fortas en vurdering av ulike pelealternativer.
Forfatterne prioriterer faktorer som har direkte innvirkning på selve brukonstruksjonen, hvilket reduserer viktigheten av faget geoteknikk i denne sammenhengen. I dette prosjektet tas det derfor utgangspunkt i geotekniske undersøkelser fra 1960 som ble utført i tilknytning tidligere byggeprosjekt i Bankebukta. Således antar gruppen at tidligere resultat kan
overføres til å gjelde dette prosjektet.
1.6.2 Grensetilstander og lastkombinasjoner
Ved dimensjonering benyttes det normalt regler og prosedyrer som foreligger i forskjellige konstruksjonsstandarder. Fremgangsmåten i dimensjoneringsarbeidet er basert på
partialkoeffisientmetoden. Bakgrunnen for denne metoden er å påvise at last-‐virkningene ikke overskrider konstruksjonens styrke når det tas hensyn til sikkerhetsfaktorer. Dette gjøres i definerte grensetilstander (Larsen, 2015).
I hovedsak skilles det mellom to grensetilstander; bruddgrensetilstand og
bruksgrensetilstand. Under bruddgrensetilstand er det to spesialtilfeller som det ikke kommer til å tas hensyn til. De respektive to er som følger:
• Ulykkesgrensetilstand
• Utmattingsgrensetilstand
For hver grensetilstand er det angitt hvilke lastkombinasjoner som skal undersøkes. Den kombinasjonen som er minst gunstig legges til grunn for dimensjoneringen (Statens Vegvesen, 2009a). Ettersom det finnes utallig mange lastkombinasjoner å regne på, velger gruppen å begrense disse ved å se bort ifra følgende lasttyper:
• Ulykkeslaster 1.6.3 Dynamisk analyse
I sluttrapporten for bærekraftig utvikling, utgitt i 2013, står det at «(…) bærekraftige bymiljøer kjennetegnes av at de er varierte og organisert slik at de fungerer positivt på folkehelsen gjennom redusert bilbruk og mer bruk av føtter, sykler og kollektivtransport»
(Kommunal-‐ og regionaldepartementet & Miljødepartementet, 2013, s.8). Rapporten oppfordrer til å forbedre og funksjonalisere eksisterende områder og anlegg fremfor å ekspandere og bygge nytt.
Effektive løsninger er å foretrekke når områder med tøyd kapasitet skal utvikles med tanke på blant annet tilretteleggelse for myke trafikanter. Stikkord som slank, lett og smidig er beskrivende for disse løsningene. I forbindelse med disse urbane ideene har man sett en
økende tilkomst av slanke gang-‐ og sykkelbruer (Osnes, u.d). Bruer som er optimalisert med hensyn på slankhet er spesielt utsatt for dynamisk påvirkning, og summen av dette har bidratt til et større fokus på bruers dynamiske egenskaper.
Virkningen av dynamikk ivaretas ved en dynamisk analyse. Målet med disse analysene er å beskrive lastvirkningene og kontrollere kapasiteten til konstruksjonen (Statens Vegvesen, 2015b). Dynamiske laster omfatter i denne oppgaven vind og gangtrafikk. Disse lastene kan lede til dynamiske svingninger i systemet, noe som vil påvirke bruas funksjon og være en sentral faktor for utmattelse. «Svingningsømfintlige gang-‐ og sykkelbruer skal vurderes med hensyn til trafikantenes komfort (…) og slitasje på bevegelige deler og innfestninger»
(Statens Vegvesen, 2015b, s.44). Alle brukonstruksjoner skal prosjekteres og dimensjoneres slik at sjenerende dynamiske effekter som svingning, vibrasjon og resonans, i størst mulig grad reduseres.
Til tross for at dette er en svært viktig del av brudimensjoneringen har gruppen valgt å utelate dynamisk analyse i oppgaven. Avgjørelsen ble gjort i samråd med både intern og ekstern veileder. Årsaken til denne bestemmelsen bygger på mangel på tid og manglende kunnskaper omkring faget.
1.6.4 Økonomiske aspekter
Innsatsen som legges ned i å utarbeide en nøyaktig kostandoversikt over prosjektet er begrenset. Det meste av økonomiske omtaler hva gjelder material-‐kostnader og generelle byggekostnader baseres på eksisterende markedspriser og tidligere, tilsvarende prosjekter.
Årsaken til at gruppen nedprioriterer økonomiske forhold er på grunn av tidspress. Det er likevel viktig å understreke at forfatterne er oppmerksom på viktigheten av de økonomiske aspektene, og deres sentrale rolle i virkelige prosjekter.
2.0 Metode
Valg av metode er en viktig del av prosessen bak søken etter svar og forståelse for et tema.
Forenklet kan man si at vitenskapelig metode er en systematisk fremgangsmåte for hvordan man tilnærmer seg vitenskapelige spørsmål. Gjennom ulike sett med prinsipper og
retningslinjer sikrer aksepterte metodevalg at kunnskapen man tilegner seg er objektiv, valid og etterprøvbar (Wormnæs & Vistnes, 1994).
Hvilken metode som egner seg for det aktuelle prosjektet avhenger blant annet av formål, kunnskapsbehov og problemstillingens formulering. I denne oppgaven er ikke metodevalget entydig, og gruppen blir derfor nødt til å anvende ulike tilnærminger for å nå de målene som er satt. Metodevalget må samsvare med prosjektets utvikling, og på den måten bestemmes ut i fra hva som undersøkes på det aktuelle tidspunktet.
2.1 Valg av metode
Oppgavens formål og dens problemstilling krever at man anvender både kvalitativ-‐ og kvantitativ metode. Basert på dette vil en kombinasjonsmetode være mest hensiktsmessig.
På den ene siden vil store deler av oppgaven bestå av mulighetsstudie representert ved kvalitativ metode. Hensikten med et slikt studie er å innhente nødvendig data fra relevant litteratur slik at grunnlaget for videre beslutning er tilstrekkelig (Multiconsult, u.d). På en annen side vil oppgavens tyngde være konsentrert rundt beregnings-‐ og dimensjonerings-‐
delen representert ved kvantitativ metode. Her vil forfatterne innhente målbare data generert fra ulike undersøkelser av brukonstruksjonene. Denne type informasjon vil være kjernen i resultat-‐ og drøftingsdelen.
2.2 Datainnsamlingsmetode
Det er primært to ulike datainnsamlingsmetoder gruppen har benyttet seg av i løpet av prosjektet, og disse to kan hovedsakelig knyttes til hver sin halvdel av oppgaven. Den ene innsamlingsmetoden er et klassisk litteraturstudie. Målet med litteraturstudiet er å utforske og innhente relevant informasjon som oppgaven bygger videre på. En viktig kunnskapsbank som har vært sentral i arbeidet med å samle inn relevant data er Håndbøkene utgitt av Statens vegvesen. I tillegg har ulike lærebøker og rapporter vært nyttig i
datainnsamlingsprosessen.
Den andre datainnsamlingsmetoden er i hovedsak ved hjelp av dataverktøy og tilhørende håndberegninger for å kontrollere programmets utmating. Dette er en tidkrevende prosess som både krever nøyaktighet og tålmodighet. Informasjonen som hentes fra
dimensjoneringsverktøyet beskriver konstruksjonens kapasitet. Dette er i hovedsak tallfestet data som forfatterne vurderer grundig opp imot standardiserte retningslinjer og krav.
Prosessen kjennetegnes av at man utvikler, tester, endrer og konkluderer om hverandre.
2.3 Dataverktøy
På grunn av oppgavens karakter har gruppen vært avhengig av å benytte seg av forskjellige dataverktøy. Anvendelse av disse har effektivisert prosessen og bidratt til besparelse av tid.
Autodesk Robot Structural Analysis
Robot er et dimensjoneringsverktøy som lar brukeren modellere og dimensjonere i både 2D og 3D. Programmet tilbyr et vidt spekter av muligheter innenfor bygningssimulering-‐ og analyse av store, sammensatte konstruksjoner. I kombinasjon med programvarens
brukervennlighet og store bruksområde vil dimensjoneringen av bruene være betydelig mye enklere. Egenskaper ved Robot som gruppen har funnet svært nyttig er dens enkle og effektive analyse-‐ og simuleringsmuligheter, innholdet av integrerte moduler basert på Eurokoder med norsk annex og muligheten til å utforme egendefinerte tverrsnitt.
Gruppen velger å benytte seg av Microsoft Excel for å regne ut eksakte koordinater for nodene. Koordinatene føres inn i tabellverktøyet til Robot ved hjelp av enkle tastetrykk, og enkelt har man skjelettet til konstruksjonen. Analysen gjøres ved å lage lastkombinasjoner i henhold til standardene.
Microsoft Excel regneark
Excel har vært et uunnværlig hjelpemiddel i forbindelse med det forberedende beregnings-‐
arbeidet til Robot. Gruppen har vært opptatt av å gjennomføre alle beregninger på en
effektiv og strukturert måte slik at eventuelle korrigeringer enkelt kunne la seg gjøre på et senere tidspunkt. Ved å sette opp gode, gjennomtenkte formler har gruppen produsert fullstendige datasett som har blitt matet inn i Robot.
Eksempelvis har forfatterne uttrykt brubanen som en funksjon av et andregradspolynom, og ligningen for en parabel kunne derfor benyttes. Ettersom gruppen hadde tre definerte punkt på brubanen, henholdsvis startpunkt, punkt midt på og sluttpunkt, var de i stand til å
beregne koeffisientene til ligningen. På den måten kunne forfatterne enkelt beregne alle nødvendige koordinater. Samtidig var det enkelt å foreta justeringer underveis, ved å regne ut nye koordinater for nodene, uten at det påvirker det totale arbeidet drastisk.
2.4 Utfordringer og tiltak for å redusere feil
I alt arbeid, enten det utføres av mennesker eller teknologi, er det en viss risiko for feil eller mangler. Faktorer som kan påvirke resultatet negativt er avlesningsfeil, feilvurderinger og svak håndtering av dataverktøy. Samtidig er det viktig å være kildekritisk og generelt nysgjerrig på løsninger og resultater. På den måten minimerer man sannsynligheten for uheldige utfall, og man oppnår et mer troverdig og feilfritt arbeid.
Når man arbeider med tall og formler kan man enkelt begå taste-‐ eller avlesningsfeil dersom man mister fokus. Av den grunn er det viktig å utføre sidemannskontroller for å sikre at arbeidet utføres korrekt.
Begrensede ferdigheter i Robot var et usikkerhetsmoment i forkant av oppgaven. Siden brudimensjoneringen i stor grad avhenger av å mestre Robot, var det viktig å få på plass dette tidlig. Med god hjelp fra overingeniør Alejandro Figueres og brukerveiledninger funnet på internett opparbeidet forfatterne seg raskt, tilstrekkelige kunnskaper innenfor Robot.
3.0 Teori
For at gruppen skal være i stand til å besvare problemstillingen på best mulig måte, er det nødvendig å innhente relevant data som kan begrunne alle valg som tas underveis. I det følgende vil det bli presentert teori som er av betydning for prosjekteringen av gang-‐ og sykkelbrua. Informasjonen i dette kapittelet presenteres på en objektiv måte, slik at stoffet blir mest mulig tydelig og informativt for leserne.
I kapitlene 3.1-‐3.4 er det utelukkende Håndbok 164, skrevet av Selberg og Gulbrandsen, som har vært brukt som kilde.
3.1 Estetikk og miljø
«Ei Bru er noe mer enn en konstruksjon som gjør det mulig å krysse en hindring -‐ den er ofte et symbol på et sted eller en referanse på reisen» (Selberg & Gulbrandsen, 2012, s.18). Bruer representerer en konstruksjonstype som er enklere å legger merke til enn andre. Uavhengig av om brukonstruksjoner bygges for å imponere eller ikke, så er det gjerne byggverk som fremstår som visuelt dominerende. Bruer utgjør derfor ofte en stor del av det bebygde miljøet rundt oss, og på den måten er det viktig at man ikke bare stiller tekniske, men også estetiske krav til utformingen av ei bru.
Hvis målet er å oppnå ei estetisk fin bru, må man regne med at totalkostnadene for det ferdige produktet er høyere enn for ei bru der man kun stiller krav til sikkerhet, økonomi og bestandighet. Estetikk er på den måten noe man må være villig til å betale for. Er man derimot konsekvent og systematisk, slik at de rette avgjørelsene tas tidlig i prosessen er det fullt mulig å oppnå ei bru uten ekstravagante tilleggskostnader. Grundig planlegging er avgjørende i et prosjekteringsarbeid.
Valg av bærekonstruksjon, overbygning, rekkverk og tilpasning til terreng er alle eksempler på element som har vesentlig betydning for bruas visuelle uttrykk. I første omgang bør det gjøres en vurdering av hvert enkelt element, og deretter en samlet helhetsvurdering. På den måten er man i stand til å opparbeide seg et helhetlig bilde over prosjektet. Alle detaljer og enkeltelement er viktige i seg selv, men det er enda viktigere å forstå større sammenhenger.
I håndbok 164 står det at «Vakre bruer er ofte et resultat av samspillet mellom sektorer, fag og evnen til å se helheten» (Selberg & Gulbrandsen, 2012, s.24). Det er lønnsomt at ulike profesjoner blir involverte så tidlig som mulig i planleggingsfasen, slik at de blir enige om et felles sett med rammebetingelser.
3.1.1 Verdien av estetikk
«Estetikk betyr -‐ «det som kan sanses» og er ikke bare tilstedeværelsen av det vakre, men også fraværet av det stygge og likegyldige» (Selberg & Gulbrandsen, 2012, s.22).
Omgivelsene påvirker en persons følelser, og på den måten kan man litt primitivt si at byggverk har betydning for livskvaliteten til et individ. Ei bru som fungerer som et viktig bindeledd på en trafikkert strekning er således betydningsfull siden den blir sett av mange. Ei bru kan representere en bestemt følelse eller den kan symbolisere et referansepunkt. Ikke bare vil ei vakker bru skape vakre omgivelser, men den kan også skape en følelse av tilhørighet og identitet -‐ «vakre bruer skaper steder» (Selberg & Gulbrandsen, 2012, s.22).
3.2 Bruas forhold til omgivelsene
Som konstruktør og arkitekt er det viktig å tenke på hvilke signaler, og hvilken opplevelse man ønsker at brua skal gi beskuerne. Det er også viktig å tenke på hvordan brua tilnærmer seg miljøet den er en del av. Ønsker man en brukonstruksjonen som skal gli ubemerket inn i landskapet, eller skal den stå frem som et mektig skue? Dette er visjoner som utviklerne bør ha avklart så tidlig som mulig i prosessen. Det siste man ønsker er et sluttproduktet som føles fremmed, og som bryter med helheten.
3.2.1 Brua og landskapet
En brukonstruksjon som tilpasser seg omgivelsene og landskapet på en god og uanstrengt måte bør alltid være en målsetning. Uheldig bearbeidelse av terreng rundt et bruanlegg kan ha negativ effekt på helhetsinntrykket. Terrengforming er av den grunn en vesentlig faktor for sluttresultatet. For å innfri kriterier som dette, er det viktig at man tidlig tar hensyn til om det bygges i naturlandskap eller i kulturlandskap/urbant strøk.
