Alternativer for gang- og sykkelbru mellom Mandal og Sånum

BACHELOROPPGAVE

BACHELOROPPGAVENS TITTEL

Alternativer for gang- og sykkelbru mellom Mandal og Sånum

DATO

24.05.2016

ANTALL SIDER / ANTALL VEDLEGG

85/26

FORFATTER

Mikkel Narmo, Johan Sundheim og Marius Strøm

VEILEDER Gro Markeset

UTFØRT I SAMARBEID MED Statens Vegvesen Vegdirektoratet

KONTAKTPERSON

Bodil Bratberg og Eldar Høysæter

Eksisterende krysning over Bankebukta er en enveiskjørt bru uten tilpassede krysningsmuligheter for gående eller syklende. Statens Vegvesen har på grunn av problematikken for myke trafikanter bestemt at det skal bygges en gang- og sykkelbru over sundet.

For å finne den beste bruløsningen ble det gjennomført et mulighetsstudie av ulike brutyper. Med grunnlag i resultatene fra mulighetsstudiet ble det konkludert med at en buebru med strekkbånd fremstår som den best egnede bruløsningen.

Det ble så gjennomført en prosjektering av en tradisjonell buebru, samt et konseptstudie av en moderne buebru.

3 STIKKORD

Mulighetsstudie Buebro

Utforming

GRUPPE NR:

15

Institutt for Bygg- og energiteknikk

Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 Oslo

Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo Telefon: 67 23 50 00

www.hioa.no

TILGJENGELIGHET:

Åpen

Forord

Denne oppgaven er en avsluttende bacheloroppgave ved avdeling for ingeniørfag- bygg ved Høyskolen i Oslo og Akershus. Omfanget av oppgaven tilsvarer 20 studiepoeng per student og er gjennomført i samarbeid med Statens Vegvesen. Arbeidet er gjennomført fra januar til mai 2016, på bakgrunn av faglig interesse for konstruksjonsteknikk.

Det har vært en spennende og lærerik prosess å skrive denne oppgaven, og den har gitt oss mye ny kunnskap som vil bli nyttig i videre studier og senere når vi går inn i arbeidslivet.

Vi vil gjerne benytte muligheten til å takke personer som har bidratt med innspill og hjelp i forbindelse med bacheloroppgaven. Det rettes en stor takk til våre eksterne veiledere Bodil Bratberg og Eldar Høysæter i Vegdirektoratet og vår interne veileder Gro Markeset. Vi ønsker også å takke Alejandro Figueres for hjelp med dataprogrammet Robot Structural Analysis.

Innholdsfortegnelse

Forord ... 1

Sammendrag ... 5

Abstract ... 6

Lister ... 8

1.0Innledning ... 11

1.1 Bakgrunn ... 11

1.2 Hensikt ... 12

1.3 Problemstilling ... 12

1.4 Forutsetninger og begrensninger ... 12

1.5 Metode ... 13

1.6 Grunnforhold og fylling ... 13

2.0 Mulighetsstudie av bruer ... 14

2.1 Bruens karakter ... 15

2.2 Opplevelsen ... 15

2.3 Ulike brutyper ... 16

2.3.1 Kasse -, bjelke og platebru ... 16

2.3.2 Hengebru ... 17

2.3.3 Skråstagbru ... 17

2.3.4 Fagverksbru ... 18

2.3.5 Buebru ... 19

2.4 Vurdering av brukonstruksjonene ... 20

2.5 Valg av brukonstruksjon ... 21

3.0 Drøfting av konstruksjonsmaterialer ... 21

3.1 Stål ... 21

3.2 Betong ... 22

3.3 Kompositt ... 22

3.3.1 Oppbygging av sandwich-konstruksjoner ... 23

3.4 Materialer for valgt bruløsning ... 27

4.0 Design av buebruer ... 28

4.1 Tradisjonell buebru ... 28

4.2 Konseptstudie - Seilbåten ... 28

5.0 Utfordringer knyttet til stabilitet ... 29

5.1 Knekking ... 29

5.2 Torsjon ... 32

6.0 Prosjekteringsforutsetninger ... 35

6.1 Krav til utforming ... 35

6.2 Laster ... 37

6.2.1 Permanente laster (P) ... 37

6.2.2 Variable laster (Q) ... 37

6.2.3 Ulykkeslaster (A) ... 42

6.2.4 Deformasjonslaster (G/P) ... 42

6.3 Grensetilstander ... 43

6.3.1 Bruddgrensetilstand (ULS) ... 43

6.3.2 Bruksgrensetilstand (SLS) ... 45

6.3.3 Ulykkesgrensetilstand (ACC) ... 46

6.3.4 Utmattingsgrensetilstand ... 46

7.0 Optimalisering av bue ... 47

7.1 Geometrisk utforming av bue ... 47

7.2 Pilhøyde ... 48

7.3 Konsekvens av stag eller kabler ... 49

7.4 Bue oppsummering ... 52

8.0 Dimensjonering av tradisjonell buebru ... 52

8.1 Dimensjonering av brukonstruksjon ... 52

8.1.1 Bruddgrensetilstand ... 53

8.1.2 Bruksgrensetilstand ... 60

8.1.3 Ulykkegrensetilstand ... 61

8.2 Valg av dekkeløsning ... 61

8.2.1 Dimensjonering av dekkeløsning ... 62

8.3 Resultat dimensjonering ... 64

9.0 Konseptstudie ... 65

9.1 Konstruksjonens virkemåte ... 65

9.2 Statisk analyse ... 68

9.3 Erfaringer ... 73

10.0 Produksjon, transport og montering ... 74

10.2 Prosessen ... 74

10.3 Vedlikehold ... 76

11.0 Diskusjon ... 81

12.0 Konklusjon ... 84

13.0 Anbefaling til videre arbeid ... 84

14.0 Referanseliste ... 86

15.0 Vedlegg ... 96

Sammendrag

Eksisterende krysning over Bankebukta er en enveiskjørt bru uten tilpassede krysningsmuligheter for gående eller syklende. Statens Vegvesen har på grunn av problematikken for myke trafikanter bestemt at det skal bygges en gang- og sykkelbru over sundet. Formålet med denne oppgaven er å presentere den beste bruløsning for det gitte brostedet.

For å finne den beste bruløsningen ble det gjennomført et mulighetsstudie av ulike brutyper.

Gjennom denne prosessen ble det lagt spesielt vekt på estetikk, montering, og grunnforhold. Med grunnlag i resultatene fra mulighetsstudiet ble det konkludert med at en buebru med strekkbånd fremstår som den best egnede bruløsningen. Det ble så gjennomført en prosjektering av en tradisjonell buebru, samt et konseptstudie av en moderne buebru, slik at en sammenligning av brutypene kunne gjennomføres. Etter analysene og sammenligningene av brukonstruksjonene ble det gjennomført en diskusjon med fokus på kriteriene estetikk, miljø og vedlikehold. Diskusjonen ledet frem til den endelige konklusjonen at den tradisjonelle buebruen er å foretrekke som

krysning over Bankebukta.

Norsk Standard og diverse håndbøker fra Statens Vegvesen er mye brukt til innhenting av informasjon. I tillegg har vi brukt bøker, nettsider og artikler for å styrke oppgavens innhold.

Håndbok N400 Bruprosjektering og læreboken Dimensjonering av stålkonstruksjoner har vist seg å være spesielt nyttige i denne oppgaven. I dimensjoneringsdelen er analyseverktøyet Robot Structural Analysis blitt benyttet. Både kvantitativ og kvalitativ metode ble benyttet ettersom oppgaven krevde både innhenting av litteratur og gjennomføring av diverse beregninger.

Abstract

Today's overpass over Bankebukta is a one-way traffic bridge with no adjusted passage for pedestrians or cyclists. Because of this matter, Statens Vegvesen have decided to build a pedestrian bridge over the strait. The aim of this thesis is to present the best solution for an overpass at the specific location.

A feasibility study of different types of bridges was completed in order to find the best alternative for an overpass. Through this process there has been a particular emphasis on aesthetics,

installation and soil conditions. Based on the results from the feasibility study it was concluded that an arch bridge with tensile element is emerging as the most suitable solution. It was then carried out a design of a traditional arch bridge, and a concept study of a modern arch bridge, so that a comparison of the two types of bridges can be done. After the analysis and comparisons of the constructions, there is a discussion with emphasis on aesthetics, environment and

maintenance. The discussion led to the final conclusion that the traditional arch bridge is to prefer as an overcross over Bankebukta. At last we present a recommendation for further work.

Norsk Standard and various handbooks by Statens Vegvesen are frequently used as sources of information. In addition, we used books, websites and articles to strengthen the thesis' content.

Håndbook N400 Bruprosjektering and the textbook Dimensjonering av Stålkonstruksjoner have proven to be particularly useful in this thesis. The computer program Robot Structural Analysis was used in the design stage. Both quantitative and qualitative research methods were used since the thesis required both gathering of literature and performing of various calculations.

Forkortelser

Robot Robot Structural Analysis SVV Statens Vegvesen

HAT Høyeste astronomiske tidevann

MV Middelvann

RRR Reduce - Reuse – Recycle WBS Work breakdown structure M.O.H Meter over havet

NN 2000 Normalnull 2000

Lister

Figurliste

Figur 1.1: Tenkt trasé over Banke ... 11

Figur 1.2: Snitt tegning av eksisterende brutrase ... 13

Figur 2. 1: Tullhusbron en god utførelse av kassebru. ... 16

Figur 2. 2: Golden gate bridge. ... 17

Figur 2. 3: Smaalene bru i Askim. ... 17

Figur 2. 4: Kabelorientering: vifteutformet (A) - og parallellutformet (B) ... 18

Figur 2. 5: Modell av fagverksbru. ... 18

Figur 2. 6: Bilde av Akrobaten. ... 19

Figur 2. 7: under – og overliggende brudekke. ... 20

Figur 2. 8: Bilde av Svinesund bruen ... 20

Figur 3. 1: Tegningsbeskrivelse av sandwich-oppbygning ... 23

Figur 3. 2: Egenskaper ved ulike fiber VS metaller. ... 23

Figur 3. 3: Honeycomb eksemplar. ... 26

Figur 4. 1: Skisse av den tradisjonelle løsningen. ... 28

Figur 4. 2: Skisse av Seilbåten. ... 29

Figur 5. 1: Figuren viser knekklengden til staver med forskjellige randbetingelser. ... 30

Figur 5. 2: Hengestagene ut av planet og dekomponering av strekkraften. ... 31

Figur 5. 3: Fundament for bue. ... 32

Figur 5. 4: Torsjonsdeformasjon ... 32

Figur 5. 5: Fordeling av momenter langs bjelken... 33

Figur 5. 6: Beskrivelser med hensyn til beregninger ... 33

Figur 5. 7: Spenningsfordelingen i et åpent og lukket tverrsnitt. ... 34

Figur 5. 8: Stivhetsforhold mellom åpent og lukket tverrsnitt.. ... 34

Figur 6. 1: Nivåoversikt med forklaringer. Hentet fra vannstand.no ... 35

Figur 6. 2: Friromsprofil for overliggende bæresystem ... 36

Figur 6. 3: Uheldig opptreden kjøretøy.. ... 38

Figur 6. 4: Valg av klasse (type) med hensyn til temperaturandelen på stedet. ... 39

Figur 6. 5: Anbefalt fremgangsmåte ved dynamiske dimensjonering. ... 41

Figur 7. 1: Parabel – VS bueutforming ... 47

Figur 7. 2: Nettverksbru med radial kabelutforming. ... 49

Figur 7. 3: Buebru med vertikale hangers. ... 49

Figur 7. 4: Deformasjon ved asymmetrisk last. ... 49

Figur 8. 1: Det valgte tradisjonelle brudesignet ... 53

Figur 8. 2: Opptredende momenter om Y og Z i tverrbærer. ... 55

Figur 8. 3: Opptredende skjærkrefter i tverrbærer. ... 55

Figur 8. 4. Opptredende aksialkrefter i stag. ... 56

Figur 8. 5: Opptredende aksialkrefter i strekkbånd. ... 57

Figur 8. 6: Opptredende skjærkrefter i strekkbånd. ... 57

Figur 8. 7: Knekktilfelle fra lastkombinasjon 13. ... 58

Figur 8. 8: Knekktilfelle fra lastkombinasjon 24. ... 58

Figur 8. 9: Sveiseskjøt mellom tverrbærer og strekkbånd. ... 59

Figur 8. 10: Sveiseskjøt mellom strekkbånd og bue. ... 60

Figur 8. 11: Sveiseskjøt mellom bue og strekkbånd. ... 60

Figur 8. 12: Global nedbøying for tradisjonell løsning. ... 61

Figur 8. 13: Illustrasjon av dekkeoppbygning. ... 61

Figur 9. 1: Skisse av konseptbru «Seilbåten». ... 65

Figur 9. 2: Skisse av bue med strekkbånd. ... 66

Figur 9. 3: Skisse av parvise krefter i bue- og strekkelement. ... 66

Figur 9. 4: Skisse av momentdiagram for kassen. ... 66

Figur 9. 5: Last med eksentrisitet som virker på kassen. ... 67

Figur 9. 6: Enkelkrummet kasseutforming. ... 67

Figur 9. 7: Krav til indre kassemål. ... 68

Figur 9. 8: Robotmodell av Seilbåten. ... 69

Figur 9. 9: Tverrsnittsdata for forenklet analysemodell ... 69

Figur 9. 10: Beskrivelse av analysemodellen. ... 72

Figur 9. 11: Forklaring av stivere. ... 72

Figur 10. 1: Illustrasjon av bygging av Brandangersundet bru ... 74

Figur 10. 2: Tilgang til bruplassering.. ... 75

Figur 10. 3: Brandangersundet ... 75

Figur 10. 4: Reduksjon av utslipp ved gjenbruk. ... 78

Figur 10. 5: Sortering av skrotmetall, (fotograf ukjent). ... 79

Figur 11. 1: Den tradisjonelle buebruen ... 82

Figur 11. 2: Skisse av Seilbåten. ... 82

Tabelliste Tabell 3. 1: Egenskaper ved ulike fiber kontra metaller ... 24

Tabell 3. 2: Egenskaper til ulike matriser. ... 25

Tabell 3. 3: Styrkeegenskaper for Honeycomb ... 26

Tabell 3. 4: Styrkeegenskaper Vinylplast. ... 26

Tabell 3. 5: Styrkeegenskaper balsa. ... 27

Tabell 6. 1: Partial - og lastfaktorer ... 44

Tabell 6. 2: Lastkombinasjoner ved ulykkesgrensetilstand ... 46

Tabell 7. 1: Momentanalyse vedrørende parabel og bue av Per Larsen. ... 48

Tabell 7. 2: Analyse av pilhøydens effekt ... 48

Tabell 7. 3: Analyse av kabel- og stagorientering ... 50

Tabell 8. 1: Laststørrelser og lastkombinasjoner i Robot ... 53

Tabell 8. 2: Sikkerhetsfaktor av de virkende lastkombinasjonene. .. Error! Bookmark not defined. Tabell 8. 2: Sikkerhetsfaktor av de virkende lastkombinasjonene. ... 58

Tabell 8. 3: Utsnitt av godkjente elementanalyse. ... 61

Tabell 8. 6: Resultater bruksgrensetilstand ... 64

Tabell 9.1: Konservativ betraktning av Seilbåtens egenvekt ... 73

Tabell 10.1: Viser forskjell i kostnad for korrosjonsbeskyttelse ... 76

Tabell 10.2: Oversikt over materialers utslipp. ... 78

Tabell 10.3: Oversikt over mengden stål og avtrykk på miljøet ... 81

1.0 Innledning

1.1 Bakgrunn

Vi har i samarbeid med Staten Vegvesen, fått i oppgave å presentere en mulig løsning for ny gang- og sykkelbru over Bankebukta i Mandal. Bakgrunnen for denne oppgaven er at

eksisterende bru ikke har noen form for tilrettelegging for syklister og fotgjengere, og virker derfor hemmende for området.

Fylkesveg 202 i Mandal kommune er den raskeste forbindelsen mellom Mandal by og tettstedet Sånum. Sånum er en av kommunens to store

boligtettsteder utenom Mandal by, og er omringet av et idyllisk landskap.

Krysningen over sundet fungerer som en sentral ferdselsåre for både

skoleelever og andre myke trafikanter, og gir tilgang til friluftsområdene rundt

Sånum. Området er også preget av båtliv hvor eksisterende bru virker som en port ut mot havet (Torkelsen. 2016).

Den eksisterende bruen over Bankebukta er en enveiskjørt bru, uten noen form for gang- og sykkelmuligheter. Bruen er i svært dårlig stand, slik at muligheten for å henge en ny gang- og sykkelbane på eksisterende bru er utelukket (SVV Fv.202. 2015). Med en økende trafikkmengde på begge sider, og ingen tilrettelegging for gående og syklende, virker nåværende krysning som et problem for tilknytningen mellom Mandal og Sånum. Med hensyn på trafikksikkerhet og videreutvikling av området, er den eksisterende bruen et svakt punkt for Sånum.

På bakgrunn av dette planlegger Statens Vegvesen en ny gang- og sykkelbru over Bankebukta i Mandal kommune. Den nye gangbruen skal ha en seilingshøyde på minst 4,5 og bestå av ett spenn for å øke seilleden. En ny gang- og sykkelbru vil gi økt trafikksikkerhet, videreutvikle området og øke tilknytningen mellom Mandal og Sånum (SVV Fv.202. 2015).

Figur 1.1: Tenkt trasé over Banke, Forprosjekt ny g/s-bru. Fv. 202 ved Bankebrua

Vegbruen skal etter hvert erstattes, noe som gjør at gangbruen setter utgangspunkt for den arkitektoniske utformingen av bruen, som gir frie tøyler med tanke på utforming.

1.2 Hensikt

Hensikten med denne oppgaven er å utvikle et bruforslag som skal bedre trafikksikkerheten, samt gangmulighetene mellom Mandal og Sånum. Ved å konstruere en gang – og sykkelbru ved siden av eksisterende krysning, vil dette redusere den daglige problematikken som oppstår for myke trafikanter. Oppgaven er utformet på bakgrunn av faglig interesse for brukonstruksjoner, og for å få et realistisk syn på hvordan et slikt prosjekt håndteres. Bankebru-prosjektet er et reelt prosjekt, hvilket gjør det ekstra spennende.

1.3 Problemstilling

Oppgavens problemstilling er:

Hva vil være den beste løsningen for ny gang- og sykkelbru ved siden av eksisterende vegbru (Bankebru), med hensyn til estetikk, statisk system, montasje og krevende grunnforhold.

1.4 Forutsetninger og begrensninger

Vi har som mål med denne oppgaven å finne frem til den mest egnede bruløsningen gjennom en litteraturstudie av de ulike brutypene. Det vektlegges en estetisk fin løsning, uten at det vil gå på bekostning av det statiske systemet og de gitte randbetingelsene.

Oppgaven skal baseres på prosjektering av en velkjent bruløsning, i tillegg skal det gjennomføres en konseptstudie for å utvikle et brualternativ. Det vil i oppgaven bli redegjort for sammenligning mellom de to mulige brualternativene.

Det forutsettes bruk av Eurokoder og håndbøker fra Statens Vegvesen ved dimensjoneringen. På bakgrunn av oppgavens omfang er det blitt valgt å se bort ifra:

● Dimensjonering av fundamentet

● Dimensjonering i utmattingsgrensetilstand

● Vegens oppbygging

● Bruens opplagere og endeavstivning

● Materialet tre

● Innfestninger og koblinger

● Dynamisk analyse

1.5 Metode

Metode er en fremgangsmåte for innhenting av kunnskap og et redskap for å besvare problemstillingen på en faglig interessant måte. Metoder kan både være kvalitative og/eller kvantitative. Kvalitativ metode tar sikte på å fange opp meninger og opplevelser som ikke lar seg tallfeste eller måles, mens kvantitativ metode tar sikte på å forme informasjonen om til målbare enheter og statistikk (Dalland, 2007).

I denne oppgaven vil det være nødvendig å bruke både kvantitativ - og kvalitativ metode. Dette fordi oppgaven omhandler drøftinger, beregninger og konklusjoner. I første del av oppgaven benyttes kvalitativ data fra teori, fakta, personlige meninger og geografiske opplysninger som legger grunnlaget for oppgaven. Den kvantitative delen av oppgaven utgjør

dimensjoneringen/analyse av bruene. Her blir det gjort flere utregninger og beregninger. Vi benytter dataprogrammene Robot Structural Analysis og Excel til analyse.

1.6 Grunnforhold og fylling

Grunnundersøkelser ble gjennomført ved prosjektering av den eksisterende krysningen over sundet, og av våre samarbeidspartnere i Statens Vegdirektorat, og Statens Vegvesen region sør utelukkes eventuelle geotekniske forandringer. Ettersom rapporten ble utarbeidet på slutten av 1960- tallet, er det store deler av rapporten som er uleselig og nødvendige antakelser ble derfor tatt på bakgrunn av snittegning av grunnen (Se figur 1.2).

Grunnen består av homogene sjikt som varierer fra sand til marinleire, og har store variasjoner av dybde til fjell. På bakgrunn av utfordrende grunnforhold med sand og marin leire, vil fundamenteringskostnadene variere med de ulike

brukonstruksjonene.

Det vil være nødvendig med

fyllinger på begge sider av bruen for Figur 1.2: Snitt tegning av eksisterende brutrase, hentet fra prosjektplan bruprosjektering

ønsket om undergang på Mandal siden. Grunnet mangel på angitte koter for bestemmelse av nødvendig fylling, blir det tatt utgangspunkt i høyden til landkar for eksisterende krysning som ligger på 4 m.o.h. Ved fylling på 0,5 meter på begge sider av sundet, forutsatt overliggende bæresystem, vil dette tilfredsstille ønsket seilingshøyde på 4,5 meter. En massefylling på

marinleire kan føre til at gitterstrukturen kollapser og dannelse av kvikkleire. Det er derfor viktig med forebyggende tiltak som kan redusere eventuelle faremomenter. Et slikt tiltak vil være utskiftning av masser (Karlsen, 2010). Det eksisterer flere mulige uttaksteder for masser i nærområdet (TT Anlegg, udatert)

2.0 Mulighetsstudie av bruer

Mulighetsstudie tar for seg grunnleggende teori og arbeid som vi legger til grunn for videre prosjektering, estetiske valg og materialvalg.

Arkitektur er et begrep som ikke bare omfatter utformingen av konstruksjonen eller områdene rundt, men også det totale sinnsuttrykket som skapes. Det ble i 2009 gitt ut en artikkel av kultur - og kirkedepartementet som omhandlet norsk arkitekturpolitikk der betydningen av arkitektur ble beskrevet; "Det favner både bygninger og anlegg, uterom og landskap. Det handler om

enkeltbygg og bygninger i samspill, om helheten i byer, tettsteder og landskap" (Regjeringen, 2013) Det fremheves i plan- og bygningsloven at prosjekter skal utformes slik at visuelle og estetiske kvaliteter tas i betraktning på lik linje med det funksjonelle som gjenspeiles i konstruksjonen og landskapet (Regjeringen, 2013)

Arkitekturen er i stadig forandring, og begrepet i seg selv har gjennom tidene fått en bredere betydning. Fra hovedsakelig å omhandle byggverk, gjelder arkitektur i dag hele opplevelsen av et produkt og miljøet rundt. Hva som karakteriserer god arkitektur kommer an på øyet som ser.

Arkitekturen må baseres på løsninger som tar hensyn til de ulike utfordringene vi står ovenfor innen klima og miljø. Satsingen på miljøvennlige løsninger i form av materialer og

energieffektivisering skal gjenspeiles i arkitekturen og valg i prosjekteringen (Regjeringen, 2013).

2.1 Bruens karakter

Bruens utforming sammen med omgivelsene skaper et visuelt inntrykk, og regnes som en av de viktigste aspektene ved bruprosjektering. Dette uttrykket kan være utformet bevisst eller ubevisst, og skaper bruens karakter. Bruer kan inndeles i fire ulike kategorier etter karakter og utforming;

signaturanlegg, markante bruer, anonyme bruer og uheldige bruer (SVV V420, 2012).

Signaturanlegg er konstruksjoner som skaper en identitet til omgivelsene. Eksempler på slike bruer er Golden Gate og Ypsilon. Markante bruer preger sine omgivelser ved sin utforming, men virker ikke som et symbol for området i samme grad som signaturanlegg. Den har en

egenidentitet og blir lagt merke til i det daglige. Anonyme bruer dominerer ikke sine omgivelser.

Bruen er en del av et større bilde og er valgt for å fremheve andre faktorer i omgivelsene. Den må derfor visuelt falle i bakgrunnen for omgivelsene. Uheldige utformede bruer oppstår når eneste kriteriet bak utforming og plassering er økonomi (SVV V420, 2012).

Det statiske systemet danner grunnlaget for utformingen av bruen, og vil påvirke det visuelle uttrykket i stor grad. Derfor er det også naturlig å klassifisere bruene etter bæresystemer. For fagverks-, bue-, henge- og skråstagsbruer danner bæresystemet den største delen av utseendet, mens bjelke-, plate- og kassebruer har et mer anonymt bæresystem (SVV V420, 2012).

2.2 Opplevelsen

“Et bruanlegg vil som regel bli sett fra mange forskjellige synsvinkler og situasjoner. De ulike elementene kan ikke vurderes isolert, men må sees i en sammenheng der helheten vurderes. Det stilles ulike krav til bruas utforming” (SVV, 2012, s.87). Brukerne får ulike inntrykk av bruen, avhengig av hvordan de bruker bruen. Kjørende og gående vil ha ulike opplevelser av bruen, blant annet på grunn av hastighet. Brukere som ferdes oppå bruen vil få et helt annet inntrykk enn en som ferdes på undersiden av bruen, dette grunnet en annen synsvinkel. Den totale utforming av bruen må derfor tas i betraktning etter de ulike synsvinklene.

Opplevelsen er også avhengig av den estetiske utformingen av bruen. Statens Vegvesen hevder at de estetiske kriteriene må vektlegges på lik linje med de økonomiske og det tekniske. En bru med store hastigheter forenkles slik at kjørebanen og kun nødvendige elementer trer frem. En slik bru nedprioriterer bruken av detaljer siden disse ikke vil synes på lik linje som ved en gangbru. Ved bruer der gjennomfart på undersiden er mulig, blir estetiske detaljer på undersiden også viktig.

2.3 Ulike brutyper

En bru skal virke som et bindeledd mellom to punkter. Hvilken brukonstruksjon som fremstår som mest egnet, varier med området og dets randbetingelser. Derfor vil de ulike

brukonstruksjonene bli belyst her.

2.3.1 Kasse -, bjelke og platebru

Kasse-, bjelke- og platebruer er ofte enkle i design og konstruksjonsprinsipp. Forskjellen på en plate- og bjelkebru avhenger av tverrsnittshøyden. Ofte utføres de i en kombinasjon, og danner et åpent tverrsnitt som vanligvis blir benyttet ved kortere spenn (SVV Håndbok V440, 2014).

En kassebru har bedre stivhetsegenskaper enn de to andre konstruksjonene, og kan derfor benyttes over noe lenger spenn.

Kasse-, bjelke- og platebruer er forholdsvis enkle å konstruere, og relativt billig i forhold til de mer dominerende brutypene. Bruene egner seg godt til prefabrikkering.

Brukonstruksjonene er av den mer beskjedne

typen, og kan fort anses som kjedelige. Ved å fokusere på detaljer i form av slankhet og lyssetting oppnås det en viss renhet og eleganse. En slik bru legges ofte til steder der bruens konstruksjon i seg selv skal stå i skyggen av omgivelsene, og underfaller kategorien anonyme bruer.

Tullhusbron i Norrköping er et godt eksempel på hvordan slankhet og lyssetting kan skape renhet og eleganse (figur 2.1).

Figur 2. 1: Tullhusbron en god utførelse av kassebru. Hentet fra http://www.lecor.se/news/

2.3.2 Hengebru

Hengebruer er blant de mest anerkjente brutypene, ofte på grunn av sitt storslåtte design og muligheten til å oppnå lange spenn. Bruen faller derfor ofte under kategorien signaturanlegg.

Normalt settes det opp to eller flere tårn med hengekabler som spennes fra det ene tårnet til det andre, og forankres enten til fjell eller ved

gravitasjonsforankring. I begge forankringsmetodene vil det oppstå

horisontalkrefter, som fundamentene må håndtere.

Av denne grunn utføres ofte hengebruer på steder med gode grunnforhold (Olsen, 2008).

Dimensjoneringen av hengebruer er avansert og komplekst, og det er mange faktorer som må tas hensyn til. Med sine store tårn og fundamenteringer, er hengebruer ofte en kostnadsmessig dyr konstruksjon, og egner seg ikke like godt over kortere spenn (Bodil Brattberg, ekstern veileder) 2.3.3 Skråstagbru

Skråstagbru har mange likhetstrekk med hengebru, og vil som regel markere seg godt i omgivelsene. En stor forskjell er dog at strekkelementene i form av stag eller kabler, forankres direkte i tårnet. Bruens likevekt opprettholdes enten ved forankring til grunnen eller ved selvforankring i sine egne sidespenn (SVV V440, 2014).

Figur 2. 2: Golden gate bridge. Hentet fra

http://creepypasta.wikia.com/wiki/File:Golden-gate-bridge- sunset.jpg

Figur 2. 3: Smaalene bru i Askim. (Fotograf Marian Haslien).

Hentet fra

http://www.haslien.no/Fotograf_marion/smaalenene-bru-i- askim

De forskjellige kabelinnfestningene til tårnet, danner ulike kabelorienteringer, som figur 2.4 viser.

Bestemmelsen av orienteringen påvirker blant annet stivhetsegenskapene til bruen, men velges ofte på bakgrunn av estetiske hensyn (Gimsing, 1997).

I likhet med hengebruer er også skråstagbru

beregnet for større spenn, og er betydelig dyrere enn bruer flest (Olsen, 2008).

2.3.4 Fagverksbru

Fagverksbruer baseres på et kjent konstruksjonsprinsipp bestående av et hovedbæresystem av fagverk. Stavene i fagverket navnsettes etter orientering: vertikalstaver, diagonalstaver og gurter.

Gurtene ligger i over- og underkant av konstruksjonen. I det ideelle fagverket får stavene vekselsvis trykk- og strekkrefter aksialt (SVV Håndbok V440, 2014). Fordelingen av kreftene videreføres som vertikale til fundamentene, og brukonstruksjonen egner seg derfor til steder med dårlige grunnforhold.

Figur 2. 5: Modell av fagverksbru. Hentet fra http://historicbridges.org/pennsylvania/heshbon/drawing_large.gif

Figur 2. 4: Kabelorientering: vifteutformet (A) - og parallellutformet (B). Hentet fra https://learnodo- newtonic.com/millau-viaduct-facts

Tidligere i Norge har ofte vei- og jernbanebruer blitt utført i stålfagverk, på bakgrunn av sin gode materialutnyttelse og økonomiske lønnsomhet (Larsen, 2008). Dette har medført at bruen ofte blir assosiert med tungt industripreg, som vil være mindre attraktivt for enkelte. I nyere tid har moderne arkitektur bidratt med å fjerne dette

«industri-stemplet», et godt eksempel på dette er Akrobaten bru som krysser Oslo

sentralbanestasjon.

2.3.5 Buebru

Buebruer har hovedbæresystem utført som en bue, og vil bære lastene som trykk i bueretningen (SVV Håndbok V440, 2014). Normalt er buen parabel- eller sirkelformet, og konstrueres i stål, tre eller betong. Buebroer har mange utformingsmuligheter, både med hensyn til det estetiske og statiske system. Det gjør buebroen til en av de mest fleksible brukonstruksjonen.

Buen kan være toleddet, treleddet eller fastinnspent. Fastinnspente buer får

innspenningsmomenter, og krever derfor gode fundamenteringsforhold. To- og treleddsbuer vil ikke få momenter i opplagringen, og er derfor bedre egnet ved dårlig grunnforhold. Buene kan også knyttes sammen i bueendene med et strekbånd, slik at det kun opptrer vertikalkrefter i fundamentet (Larsen, 2008).

Det brede spekter av utformingsmuligheter gjør at bruen kan tilpasses omstendighetene godt.

Brubanen kan for eksempel plasseres i hele buens høyde, og kan tilkobles buen i form av stag eller kabler med ulik orientering. (SVV Håndbok V440, 2014).

Figur 2. 6: Bilde av Akrobaten. Hentet fra:

http://www.bjorvikautvikling.no/toppmeny/nyheter/akr obaten-vant-europeisk-stalpris/7c5b0131-3748-4a8b- 97c1-449a0f3a6d5e

2.4 Vurdering av brukonstruksjonene

I vurderingen av ulike brukonstruksjoner har krevende grunnforhold og estetikk blitt tungt vektlagt.

Henge- og skråstagbruer er begge store konstruksjoner som benyttes ved store spenn. Felles for brukonstruksjonene er at det kreves omfattende fundamenteringsarbeid, og er kostbare

konstruksjoner. På bakgrunn av grunnforholdene i Bankebukta vil henge- og skråstagbruer ikke være aktuelle.

Buekonstruksjoner er en estetisk fin brukonstruksjon, og kan tilfredsstille ønske om ett spenn.

Underliggende brubane kan benyttes som strekkbånd, slik at horisontalkrefter unngås i fundamentene. En slik løsning er interessant, og blir derfor valgt videre i denne oppgaven.

Fagverksbruer har gode egenskaper, som vil imøtekomme randbetingelsene på en god måte.

Brukonstruksjonen vil virke markant i landskapet, og av sitt industripreg vil det foreligge en utfordring i å designe en fagverksbru som supplerer området estetisk. På bakgrunn av dette, er det valgt å ikke gå videre med fagverksbruer.

Da det ikke er ønsket peler i sjøen vil plate- kasse - og bjelkebruer ikke være aktuelle uten spesielle tiltak, og vil derfor ikke være aktuelle for denne oppgaven.

Figur 2. 8: Bilde av Svinesund bruen (mellomliggende brudekke). Hentet fra:

http://www.byggutengrenser.no/inspirasjon/svinesund broen?t=108

Figur 2. 7: under – og overliggende brudekke. Hentet fra Håndbok V440

2.5 Valg av brukonstruksjon

Vi har igjennom denne prosessen snevret inn alternativene til en brutype basert på estetikk, byggemetode, pris og grunnforhold. Buebru er den brutypen som markerer seg som mest egnet i forhold til grunnforholdene og byggemetode, og som vil komplettere området mer estetisk enn de andre alternativene. Det foreligger en utfordring å skape en konstruksjon som ikke dominerer det idylliske landskapet, noe som har vært med å danne grunnlaget for videre arbeid.

Det er derfor tatt en beslutning om å prosjektere en tradisjonell buebru, og i tillegg utføre en konseptstudie av en mer moderne buebru med en vri. Grunnen til at det er valgt å utføre en konseptstudie i denne oppgaven, er for å utforske et lite brukt design som vi mener vil gli godt inn i det idylliske landskapet. Av det ønskede designet blir vår konseptstudie videre referert til som Seilbåten, som trer tydelig frem senere i oppgaven. For den tradisjonelle buebruen vil det utføres en prosjektering, mens i konseptstudie av Seilbåten vil det utføres en statisk analyse som legger grunnlag for videre sammenligning.

3.0 Drøfting av konstruksjonsmaterialer

Valg av materialer er en viktig del av bruens sluttkarakter. Materialene vil ikke bare være med på å avgjøre bruens pris og utseende, men også bruens bestandighet og driftskostnader. For den valgte brutypen velges materialene i henhold til byggemetode, statiske egenskaper, estetikk og materialets egnethet i forhold til bruens beliggenhet. Tre som materiale vil ikke bli vurdert i denne oppgaven, da vi mener en buebru i tre ikke passer inn på brostedet, med hensyn til det estetiske.

3.1 Stål

Stål er et materiale som blir mye brukt som hovedbæresystem til bruer. Dette på grunn av stålets kombinasjon av egenskaper som styrke, formbarhet, strekkfasthet og sveisbarhet (Christensen &

Almar-Næss, 2009). Stål er en legering hvor jern og karbon er de største elementene, der karbon utgjør opptil 2,1 prosent av den totale sammensetningen. Karbonet bedrer jernets egenskaper ved å legge seg mellom jernatomene og øke bindingsstyrken i materialet. Ved å tilsette flere

legeringselementer kan man påvirke stålets egenskaper (Husø, 2005). Det vanligste

bestandighetsproblemet for stål er korrosjon. Korrosjon oppstår enten av naturlig nedbrytning av overflatebehandlingen eller av overflateskader. Uten tiltak ved korrosjon vil tverrsnittets kapasitet reduseres over tid (Eva Rodum, 2011). I henhold til håndbok N400 skal bærende

brukonstruksjoner i stål utføres med en normverdi av stålkvaliteten på S355 til S460 (Statens Vegvesen N400, 2015). Kvaliteten redegjør for stålets flytegrense (N/mm²).

3.2 Betong

Betong er et av de mest brukte materialene for korte og lange bruer i Norge. Betong har egenskaper som gjør at det tåler store trykkrefter, har lang levetid og er svært formbart.

Betongens egenskaper påvirkes i stor grad av materialsammensetning, utførelse og etterbehandling. Betongen kan både plasstøpes og prefabrikkeres. Prefabrikkering gjør at betongen kan herde i et optimalt miljø og man kan lettere forutse resultatet av betongen.

Påkjenninger fra miljøet i form av væsker og gasser som trenger inn i betongen gjør at betongen brytes ned og armeringskorrosjon kan oppstå. Salt fra sjøvann eller veisalt kan trenge inn i armeringen og få den til å korrodere (Gjerp, Opsahl & Smeplass, 2004). Korrodert jern får større volum og vil med tid sprenge i stykker betongen. Lavt v/c tall vil resultere i en tettere

betongsammensetning som da gir færre og mindre luftporer i betongen, og nedbrytningen vil ta lengre tid. Armeringskorrosjon er et vanlig problem i kyststrøk, ofte på grunn av

kloridinntrengning fra sjøsalt. For å forhindre korrosjon og andre skader i betongen velges eksponeringsklasse, bestandighetsklasse og armeringsoverdekning ut ifra miljøbelastningen konstruksjonen vil befinne seg i. (Gjerp, Opsahl & Smeplass, 2004)

Betongkonstruksjoners dimensjonerende brukstid bestemmes av byggherre i samarbeid med den prosjekterende, bruer burde ifølge NS-EN 1990 prosjekteres med en brukstid på minst på 100 år (Kristiansen B et al, 2011).

3.3 Kompositt

Kompositt er en betegnelse for blandingsmaterialer som er sammensatt av to eller flere forskjellige materialer. Ved å utnytte de gode egenskapene til hvert av grunnmaterialene, vil komposittmaterialet få bedre egenskaper enn de enkelte grunnmaterialene har hver for seg (Husø, 2005). Begrepet kompositt er omfattende og assosieres ofte med plastmaterialer, men kompositt kan være så enkelt som en sammensetning av armering og betong. Plastkompositter har de fordelene at det har svært gode styrke/vekt - forhold, og kan kombineres slik at det oppnås ett vidt spekter av ulike egenskaper. I brukonstruksjoner kan plastkompositter brukes i både hovedbæresystemer og i enkeltkomponenter, som blant annet dekkeløsninger. Det vil i denne oppgaven være aktuelt med en dekkeløsning bestående av komposittmaterialer, og det vil videre redegjøres for de mulige sammensetningene.

3.3.1 Oppbygging av sandwich-konstruksjoner

Kompositt som brudekke kommer i ulike varianter, men det mest brukte er sandwich

oppbygninger. Sandwichkonstruksjoner er konstruksjoner der det settes sammen lameller av materialer, hvor sammensetning øker treghetsmomentet. Kompositter har høy styrke i forhold til egenvekt, men en lavere stivhet enn vanlige metaller. Dette kan kompenseres ved å sette sammen komposittmaterialene til en sandwichkonstruksjon. (Husø, 2005). En slik dekkeoppbygning består hovedsakelig av ytterlag og kjerne (figur 3.1). Ytterlagene skal bidra med stor styrke og stivhet, mens kjernen består av materialer med stor evne til å tåle trykk, skjærspenninger og stivhet. Ytterlagene kan utføres i ulike høyfaste materialer, som ulike Fibre Reinforced Plastic (FRP-kompositter), og kjernen i materialer som blant annet balsa, honeycomb og skumplast.

(Fibre Glast, udatert). For å klassifisere en slik dekkeløsning er det nødvendig med forståelse av de ulike materialenes egenskaper, og materialenes påvirkninger på dekkets egenskaper.

Ytterlag – Sandwich-konstruksjon

Ytterlagene i sandwich dekke skal som nevnt bidra med styrke, og utformes derfor av FRP - kompositter.

Fiberkompositt er en kombinasjon av matrise og fibrer, der hovedfunksjonen til fibrene er å videreføre lastene i lengderetning og styrke utgangspunktet, mens matrisen overfører spenningene mellom fibrene og danner et beskyttende lag. (Andersen & Stokke, 2004). Denne kombinasjonen bedrer egenskapene til materialene, og gir et særdeles godt resultat med hensyn til styrke, fasthet og stivhet (Husø, 2005). De

Figur 3. 1: Tegningsbeskrivelse av sandwich-oppbygning

Figur 3. 2: Egenskaper ved ulike fiber VS metaller.

Hentet fra:

http://www.komposittforbundet.no/admin/common/

getimg.asp?FileID=1137

mest brukte fibermaterialene er glassfiber, karbonfiber og aramidfiber. Tabell 3.1 viser ulike verdier for de tre fibertypene, sammenlignet med stål og aluminium.

Tabell 3. 1: Egenskaper ved ulike fiber kontra metaller, Hentet fra

http://www.komposittforbundet.no/admin/common/getimg.asp?FileID=1137

Glassfiber

Glass fibre reinforced plastic (GFRP) er den mest brukte erstatningen for andre tyngre bærende elementer, og av mange komponeringsmuligheter er det mulig å oppnå svært gode egenskaper.

Dette gjør at glassfiber er det vanligste kompositte armeringsmaterialet, som er svært motstandsdyktig mot korrosjon og er enkelt å overflatebehandle. (Husø, 2005).

Karbonfiber

Carbon fibre reinforced plastic (CFRP) er et sterkt og stivt alternativ til glassfiber, og brukes i tilfeller der det kreves høyere ytelse av materialet, og der lav vekt og høy styrke er nødvendig (Husø, 2005). Karbonfiber er sammensatt av en rekke karbonfilamenter som er smeltet sammen med plastikkpolymer under stort trykk. Selv om karbon er sterkere enn både glassfiber og aramidfiber, er den svakere i forhold til kollisjon og kan også oppleve galvanisk korrosjon i kontakt med metaller. For å unngå galvanisk korrosjon legger man ofte et lag med glassfiber eller epoxy mellom karbonet og metallene. Sammensetningen av karbonfiber er et svært dyrt

materiale. (Andersen & Stokke, 2004) Aramidfiber

Aramidfiber har som egenskap at den er anisotrop, som betyr at forholdene i de ulike retningene er forskjellige. Den har derfor høyere stivhet og er sterkere i lengderetning, og i motsetning til glassfiber er de dynamiske egenskapene bedre og faren for sigebrudd derfor mindre. Aramid er svak mot trykk og skjær, og med en kompresjonstøyning på 0,3 - 0,5 prosent vil det oppstå defekter i materialet. (Andersen & Stokke, 2004).

Matriser

I komposittmaterialer, er det som tidligere nevnt fibrene som har de mekaniske egenskapene, men det er stor avhengighet av bindemiddelet. Ulike kombinasjoner av fiber og bindemiddel kan gi materialer med helt ulike egenskaper. Valg av materialkombinasjoner vil påvirke de ulike

egenskapene til kompositten, blant annet bestandighet og overflateruhet. Når komposittelementer bindes sammen, gjøres dette ved bolting eller liming ettersom materialene ikke har noen

sveiseegenskaper. (Andersen & Stokke, 2004). I tabell 3.2 under vises de ulike egenskapene til de vanligste matrisematerialene.

Tabell 3. 2: Egenskaper til ulike matriser. Hentet fra

http://www.komposittforbundet.no/admin/common/getimg.asp?FileID=1137

Kjerne – Sandwich- konstruksjon

Det finnes flere muligheter ved valg av kjernemateriale i en sandwichkonstruksjon, blant annet i forhold til pris, styrke og andre positive egenskaper. Som nevnt tidligere, velges kjernematerialet på bakgrunn av blant annet sin trykkfasthet og motstandsdyktighet. Videre i dette avsnittet redegjøres det for de mest vanlige kjernematerialene.

Honeycomb

Honeycomb lages ofte i aluminium eller impregnert papir sammensatt i en serie av celler som danner et rutenett. Denne utformingen er med på å skape det største forholdet mellom styrke og vekt blant de kjente kjernematerialene. Honeycomb består av 90- 99 prosent åpent rom, og har egenskaper som svært brannhemmende, fleksibel, korrosjonsresistent, og har lav egenvekt. Produktet blir mest brukt innen

luftfart og maritim industri, og er på grunn av sin høye pris lite brukt i konstruksjonsindustrien.

(Dupont, udatert)

Tabell 3. 3: Styrkeegenskaper for Honeycomb. Hentet fra http://www.fibreglast.com/

Vinylplast

Skumplast av vinyl er det mest motstandsdyktige kjernematerialet mot ytre påvirkningsfaktorer. Det er motstandsdyktig mot ulike drivstoff, alkalier, sjøvann, fortynnede syrer og den er lett formbar. Bruksområdet omfatter i likhet med Honeycomb mest luftfart, men grunnet sine allsidige evner og formbarheten kan den brukes overalt. Prisen gjenspeiler bruksområdet, og er relativt høy (Fiber glast, udatert).

Figur 3. 3: Honeycomb eksemplar. Hentet fra https://www.acpsales.com/OnlineStore.php?cat=2 56

Tabell 3. 4: Styrkeegenskaper Vinylplast.

Hentet fra http://www.fibreglast.com/

Balsa

Balsa er et tremateriale og det mest brukte

kjernematerialet, både på grunn av sin styrke og pris.

Balsa har stor trykkstyrke på grunn av sin oppbygning, hvor det helt nede på mikronivå har en lignende struktur som Honeycomb. Balsaen ligger i lengderetning, hvor mindre kvadrater av balsatre er limt til hverandre med fiberretning normalt på dekket. Disse lengderetningene er festet i et tynt “ark” som gjør at platene er lette å jobbe med. (Fiber glast, udatert)

3.4 Materialer for valgt bruløsning

Buebruer bygges i dag av flere forskjellige typer materialer, med den hensikt å oppnå et maksimalt utnyttet tverrsnitt. De mest brukte materialene i en buekonstruksjon er betong, stål eller tre, avhengig av bruplassering og de ytre påkjenningene. Det er viktig å gjøre en total vurdering ved valg av materialer, slik at det tilrettelegges for en optimal løsning med hensyn til blant annet levetid, vedlikehold og bæresystem.

I denne oppgaven er det valgt et hovedbæresystem bestående av stål. Dette vil gi en slank og estetisk fin konstruksjon som legger til rette for rask montering og mulighet for prefabrikkering.

Dekket utføres i kompositt fordi materialet fører med seg mange fordeler for denne oppgaven. Et komposittdekke har lav egenvekt, og det egner seg godt til prefabrikkering og kan monteres på kort tid. Kompositt dekke vil også virke positivt for både levetid og vedlikehold, da materialet er motstandsdyktig mot korrosjon som er en stor utfordring for konstruksjoner lokalisert ved sjøen.

Et dekke av betong kunne også vært et mulig alternativ. Som beskrevet i avsnitt 3.2 kan

armeringen i et betongdekke påvirkes negativt av det korrosive miljøet, så et mulig alternativ til armering kunne vært glassfiberforsterkning. På grunn av betongens store egenvekt ble det valgt å se bort ifra dette materialet.

Tabell 3. 5: Styrkeegenskaper balsa. Hentet fra http://www.fibreglast.com/

4.0 Design av buebruer

Under kapittel Vurdering av brukonstruksjonene ble det konkludert med at en krysning i form av en buekonstruksjon, ville virke komplimenterende på området. På bakgrunn av dette ble det valgt to buebruutforminger, som vil bli sammenlignet videre i oppgaven.

4.1 Tradisjonell buebru

En buebru bestående av to parallelle buer med dekke utført i kompositt, anses i denne oppgaven å være den “tradisjonelle” buebruløsningen. Dette er en brukonstruksjon som er vidt kjent, og har mange gode egenskaper og mange utformingsmuligheter. Siden oppgaven baseres på

sammenligning mellom to brutilfeller, blir dette ansett som den sikre løsning som er mye utprøvd og optimalisert. Bruen vil videre i oppgaven detaljdimensjoneres og sammenlignes med

konseptstudie.

Oppbygningen består av to overliggende parallelle buer med strekkbånd, for å kunne ta opp buenes horisontale sparkekrefter. Det vil være nødvendig med en hengeforbindelse som skaper samvirke mellom buen og strekkbåndet.

Figur 4. 1: Skisse av den tradisjonelle løsningen. Tegnet av Marius Strøm

4.2 Konseptstudie - Seilbåten

Ideen bak konseptstudie er at det skal bryte med den “tradisjonelle” buebruen, og skape en glidende overgang med omgivelsene. Denne brukonstruksjonen vil i motsetning til den

tradisjonelle bruen, kun bestå av en buekonstruksjon med strekkbånd. Det blir også nødvendig med en utforming av gangbanen, og det fastlegges derfor ett kassetverrsnitt. Tanken bak denne brukonstruksjonen er å gi brukerne en luftig opplevelse. Videre skal det gjøres en statisk analyse og en nærmere vurdering av hovedbæresystemet til bruen. Bruen blir utformet med en kasse med senterliggende bue. Snittskissen i figur 4.2 viser opprinnelsen til navnet, Seilbåten.

Figur 4. 2: Skisse av Seilbåten. Tegnet av Marius Strøm

5.0 Utfordringer knyttet til stabilitet

Det fremkommer ved valg av brudesign nødvendige analysestudier, som vil kreve ekstra

oppmerksomhet tidlig i prosjekteringsfasen. Etter de valgte brudesignene beskrevet overfor, blir det tydelig hvilke temaer som er av betydning og som må undersøkes nærmere. En felles

utfordring ved begge konstruksjonene i denne oppgaven vil være stabilitetsutfordringer.

Etter tenkt brudesign er det ønsket buekonstruksjoner uten noen form for horisontale vindavstivere, og buen er av den grunn svært utsatt for knekningsproblemer.

Av en rask betraktning av Seilbåten, synliggjøres faren for en eksentrisitet mellom opplager og belastning. Lastens arm (lengde) i forhold til konstruksjonens tverrsnitts senter, kan forårsake en rotasjon og påføre en torsjonsvirkning til elementene.

Videre i oppgaven er det derfor valgt å se nærmere på torsjon og knekking, for å øke kunnskapen og belyse eventuelle tiltak som bør iverksettes ved behov.

5.1 Knekking

Knekking er en form for konstruksjonssvikt som omhandler stabiliteten av et trykkbelastet element, og rammer oftest lange og slanke konstruksjoner (Meccanica, udatert). Knekking oppstår når konstruksjoner utsettes for en påkjenning som er større enn kapasiteten, da vil den strukturelle stivheten reduseres betraktelig og konstruksjonen vil bli ustabil og knekke. Stivheten avhenger av to bidrag: geometriskstivhet og materialstivhet. Med materialstivhet menes

materialegenskapene til det gitte tverrsnittet, mens den geometriske stivheten avhenger av tverrsnittets form (Høyskolen i Narvik, 2003).

Et element vil alltid knekke ut av tverrsnittets svakeste akse, den aksen med lavest arealmoment.

Sirkulære tverrsnitt er symmetrisk om alle akser og har derfor ingen svak akse, så knekkingen vil skje i en vilkårlig retning (Meccanica, udatert).

Knekking kan forekomme både i og ut av planet.

For en stav vil det komme an på hvilken akse (figur 5.1) som knekker som bestemmer om knekkingen oppstår i eller ut av planet. I denne oppgaven vil knekking ut av planet være det kritiske, ettersom buene får en lang knekklengde og en stor aksialkraft. Knekking ut av planet kan

både oppstå på grunn av aksialkreftene i buen og ytre laster. De ytre lastene kan være

vindkreftene som virker på buen, og vil redusere kapasiteten og gjøre at knekking blir et mer alvorlig problem (Jan Olav Hauan Kaasa, 2012).

Knekking for en ideell stav, som vil si en rett stav uten defekter og med sentrisk påført last, kan kritisk knekkekapasitet beregnes etter Eulerlast:

Verdiene som har betydning for den kritiske knekkekapasiteten avhenger av:

- Treghetsradien - Knekklengde - Slankhetsforhold

- Arealmoment om sterk/svak akse

Da konstruksjonsprinsippet for en buebru med strekkbånd er bygd opp slik at buen skal ta store trykkrefter, er knekking ut av planet et kritisk punkt ved begge brutilfellene i oppgaven. Trykket i buene vil variere med pilhøyden se avsnitt 7.2, men knekking vil uansett virke kritisk.

Som nevnt over er Euler-last en beregningsmetode bare for den ideelle stav (Jan Olav Hauan Kaasa, 2012). Det finnes en rekke forhold som gjør at staven kan knekke med langt lavere laster.

Dette kan for eksempel være at staven er formet som en bue, ytre laster som virker eller at lasten

Figur 5. 1: Figuren viser knekklengden til staver med forskjellige randbetingelser. Hentet fra:

http://meccanica.no/fasthet/knekking.htm

ikke er sentrisk plassert. Dette er tilfeller som oppstår i oppgaven, og krever derfor en mer avansert beregning. Knekkekapasitet vil senere bli beregnet i oppgaven etter Eurokode 3 del 2.

Ettersom spennet på bruene er 70 meter vil knekklengden (Lk) bli en kritisk faktor, og tiltak anbefales. Et tiltak mot knekking av den tradisjonelle buen vil være å benytte vindavstivere i toppen mellom buene. Dette vil gjøre at Lk reduseres og knekkelasten vil dermed øke betydelig.

Jo flere avstivere som blir benyttet desto større blir knekklasten.

Som nevnt tidligere i oppgaven er det ønsket en utforming av den tradisjonelle bruen uten avstivning mellom buene. For å muliggjøre utformingen kan man øke 2. arealmomentet til tverrsnittet. Dette vil kreve at buen kontrolleres etter NS-EN 1993-2 punkt D.3.1 Knekking av frittstående bue.

Da det er ønsket en bru uten vindavstivere, må de ytre horisontale kreftene som skaper en rotasjon om den vertikale aksen på buen tas opp. Kreftene som virker vil bidra til å redusere knekkekapasiteten og tiltak anbefales. Dette kan enten gjøres ved opplagerne eller med skråstilte hengestag ut av planet som vil sørge for sideveis stabilitet i buen.

Figur 5.2 viser et tilfelle der hengestagene er koblet til samme punkt i buen, men går ut av planet og ned til strekkbåndet. Horisontalkreftene som

virker på buen dekomponeres til strekk i

hengestagene og gir buen en stabiliserende effekt.

Med større vinkel mellom hengestagene vil den horisontale komponenten til strekkraften øke, og hengestagene vil kunne stå imot den vindlasten som virker (Hovi & Skjerve, 2015).

Et annet tiltak for å ta opp de ytre kreftene er ved bruk av fastlåste opplagere. Det er en stor fordel for den globale stabiliteten å benytte fast innspenning eller en innspenning som er fastholdt mot rotasjon

Figur 5. 2: Hengestagene ut av planet og dekomponering av strekkraften. Hentet fra

https://brage.bibsys.no/xmlui/bitstream/id/380163/135 03_FULLTEXT.pdf

om den vertikale aksen. Innspenningen vil da oppta bøyemomentene som forårsakes av de ytre kreftene som virker på bruen. Det er ofte i tillegg benyttet et ytterligere lager et stykke opp på buen for en enda bedre avstivning (figur 5.3) (LMG Marin, 2012).

Det er valgt å ikke gå videre med dette da det ses bort ifra opplagere i oppgaven.

5.2 Torsjon

Et tverrsnitt utsatt for usymmetrisk last, eller en last med eksentrisitet til skjærsentret for

tverrsnittet, vil få en form for deformasjon. Deformasjonene fører til spenninger i tverrsnittet og torsjonsmoment.

Torsjonsmomentet i et tverrsnitt vil generelt være sammensatt av to typer:

1. St. Venants torsjon – Oppstår i hvelvningsfrie tverrsnitt. Ingen normalspenninger opptrer, likevekten opprettholdes av skjærspenningene.

2. Hvelvningstorsjon – Oppstår i staver forhindret for hvelvningsdeformasjon. Tverrsnittet får skjær- og normalspenninger.

(Larsen, 2010, s. 115)

Figur 5. 4: Torsjonsdeformasjon. Hentet fra: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:566211/FULLTEXT01.pdf

Når et tverrsnitt er forhindret mot hvelving- og vridningsdeformasjoner vil hvelvingstorsjon oppstå. Dette medfører et mer komplisert spenningsbilde på grunn av deformasjoner i

lengdeaksen til tverrsnittet (Larsen, 2010). Randbetingelsene har derfor betydning for fordelingen av St. Venants og hvelvingstorsjon i tverrsnitt. For eksempel kan fastinnspenning av et element minimere hvelvingsdeformasjonen, som gjør at en større andel hvelvingstorsjon opptrer. En bjelke belastet slik at torsjonsmoment vil oppstå, med følgende randbetingelser; en ende innspent og den andre fri, vil få en fordeling av torsjonsmoment langs bjelkelengden slik figur 5.5 viser.

Figur 5. 3: Fundament for bue. Hentet fra

http://www.bridgeofweek.com/2014/02/contra-costa- county-california-bridges_25.html

Figur 5. 5: Fordeling av momenter langs bjelken. Verdier hentet fra Larsen. P (2010) s. 145

St. Venants torsjon gir kun skjærspenninger, og er mindre komplisert enn hvelvingstorsjon. På bakgrunn av oppgavens omfang, og med forutsetninger gitt under, er det valgt å ikke gå videre med hvelvingstorsjon.

Forutsetninger for videre arbeid ved torsjon:

● Tverrsnittet er fritt til å hvelve

● Materialet er elastisk

● Rotasjonsdeformasjoner er små.

Torsjonsarealmomentet er en parameter som indikerer tverrsnittets evne til å motstå torsjon. Når det kun oppstår skjærspenninger i planet av torsjonsbelastningen (St. Venantes torsjon), blir parameteren omtalt som St. Venants torsjonskonstant (It).

It for ulike tverrsnittsutforminger vil bli uthentet fra formelsamling for stålprofiler (Larsen, Clausen & Aalberg, 1993), og betraktes som en god tilnærming når tykkelsen på tverrsnittet er lav i forhold til størrelsen på utformingen. Se figur 5.6:

Rektangulært: 𝐼_𝑡 =¹₃ 𝑎𝑏³ der, 𝑎 ≫ 𝑏 Rør:

Rør: 𝐼_𝑡= 2 𝜋 𝑟³ der, 𝑟 ≫ 𝑡

For et sammensatt tverrsnitt er torsjonsarealmomentet tilnærmet lik summen av It for hver tverrsnittsdel.

𝐼_𝑡 = ∑¹₃𝑎𝑏³

Når vi ser på torsjonsegenskaper til tverrsnitt, skiller vi mellom åpne og lukkede tverrsnitt, på grunn av den store differansen i torsjonsegenskaper. For et lukket tverrsnitt vil skjærspenningene

Figur 5. 6: Beskrivelser med hensyn til beregninger (nedenfor). Tegnet av Marius Strøm

opptre i samme omløpsretning (figur 5.7 høyre), mens i et åpent tverrsnitt opptrer skjærspenningen i motsatt retning langs tverrsnittets ytterkanter (figur 5.7 venstre).

Figur 5. 7: Spenningsfordelingen i et åpent og lukket tverrsnitt. Tegnet av Marius Strøm

Den maksimale skjærspenningen

τ

𝑡 . Der flytegrensen for skjærspenningen er gitt ved: 𝜏_𝑦 = ^𝑓𝑦

√3

Torsjonsstivheten It til et åpent tverrsnitt er vesentlig dårligere enn til et lukket tverrsnitt.

Forskjellen kan vises ved å sammenligne It med to sirkulære rør, der den ene har en langsgående slisse (figur 5.8).

𝐼_{𝑡 𝑙𝑢𝑘𝑘𝑒𝑡}

𝐼_{𝑡 å𝑝𝑒𝑛𝑡}

=

3 𝜋 𝑟 𝑡³

= 3 (

)

Av linjediagrammet kan vi se at stivhetsforholdet mellom det åpne og det lukkede tverrsnittet er stor og øker ved økende radius (Larsen, P. 2010, s. 124-125)

I et brutverrsnitt vil torsjonsbelastningen skyldes skjev trafikk/person- og vindlast.

Den store differansen på torsjonsegenskapene for lukket og åpent tverrsnitt gjelder også for

brutverrsnitt. Et godt eksempel er en bjelkebru med overliggende dekke. Hovedbæresystemet virker som et åpent tverrsnitt og er lite egnet for en torsjonsbelastning. For å bedre

torsjonsegenskapene lukkes tverrsnittet ved å binde sammen undergurtene med

vindavstivningssystem slik at den ønskede skjærstrømmen etableres. (Larsen, 2010, s. 128-129)

Figur 5. 8: Stivhetsforhold mellom åpent og lukket tverrsnitt. Laget av Mikkel Narmo.

6.0 Prosjekteringsforutsetninger

Ved prosjektering av brukonstruksjoner er det flere restriksjoner som må overholdes for at oppgaven skal la seg gjennomføre. I dette kapittelet skal det redegjøres for regulative krav som stilles, laster som virker på brukonstruksjonen, samt synliggjøring av de ulike

lastkombinasjonene gitt ved de ulike grensetilstandene. Eurokodene og Håndbøkene danner et viktig grunnlag videre i dette kapittelet. Eurokodene er en samling europeiske standarder som gjelder for prosjektering av ulike konstruksjoner. Det er Nasjonale tillegg i hver Eurokode som tar for seg nasjonale forhold, som blant annet de ulike klimaforholdene. I tillegg har

Vegdirektoratet utformet normaler for prosjektering og krav ved brubygging.

6.1 Krav til utforming Krav til bruer over sund

Ved bruprosjektering fastsettes minsteavstander over sund av Håndbok N400. For Bankebukta i Mandal ligger sjøkartnull på - 55 cm i forhold til

Normalnull 2000, en nyere oppdatering av NN1954 (Kartverket, 2016). Under følger beregning av høyeste astronomiske tidevann og middelvannstand for Bankebukta. (Se vedlegg B)

● HAT= 70 cm - 55 cm= 15 cm i forhold til NN2000

● MV= 45 cm - 55 cm = -10 cm i forhold til NN2000

Det forutsettes av Håndbok N400 en minste vertikal klaring over sjø. Minste vertikal klaring velges slik at overbyggingen med god margin unngår kontakt med sjøen. I områder med moderat bølgehøyde skal minste vertikale klaring for bruen være den største av HAT + 2,5 eller MV + 3,5 (SVV Håndbok N400, 2015).

● HAT + 2,5 m = 0,15 m + 2,5 m = 2,65 m.o.h (NN2000)

● MV + 2,5 m = -0,10 m + 3,5 m = 3,4 m.o.h (NN2000)

Figur 6. 1: Nivåoversikt med forklaringer. Hentet fra vannstand.no

Over denne traseen er det gitt en seilingshøyde på minimum 4,5 m.o.h hvilket betyr at minimumskravet for minste vertikale klaring over sjø, 3,4 m.o.h tilfredsstilles.

Fri høyde for gang- og sykkeltrafikk under bruer og i underganger

På Mandal-siden er det en undergang for gående, som også må tas hensyn til ved planleggingen.

Fra Håndbok N100 avsnitt: Prosjektering av underganger for gang- og sykkelveg med overliggende bæresystem, skal minste fri høyde være 3,10 meter. Da minimum

seilingshøyde er 4,5 m.o.h, og undergangen ligger på tilnærmet likt nivå som havet, vil dette kravet tilfredsstilles. (SVV Håndbok N100, 2014)

Krav til fri bredde til overliggende bæresystem Fra Håndbok N400 Bruprosjektering, refereres det til at separerte gang - og sykkelvegbruer, skal ha en

minimum sideavstand på 0,2 meter mellom overliggende bæresystemer og kant gangfelt. (Statens vegvesen N400, 2015)

Krav til fri bredde mellom rekkverk

Krav til fri bredde for gang - og sykkel bruer som er skilt fra kjørebanen skal ifølge Håndbok N100 Veg - og gateutforming være minimum 3 meter.

Krav til rekkverk

Krav til brurekkverk for gang- og sykkelbruer, fastsettes av Statens Vegvesens Håndbok N101 Rekkverk og Vegens sideområder, Håndbok 268 Brurekkverk og NS-EN 1317. Ved prosjektering av rekkverk må det tas hensyn til ulike krav som skal opprettholde brukernes sikkerhet.

Høydekravet for ytterrekkverk til gang- og sykkel bru er bestemt av Håndbok 268. Det kreves en minimumshøyde på 1,2 meter fra toppen av brubanens slitesjikt til toppen av rekkverket (SVV Håndbok N101, 2014).

Figur 6. 2: Friromsprofil for overliggende bæresystem (Utklipp fra N400, SVV). Hentet fra Håndbok N400

6.2 Laster

Lastene som virker på en bru deles inn i kategoriene:

● Permanente laster

● Variable laster

● Ulykkeslaster

● Deformasjonslaster 6.2.1 Permanente laster (P)

De permanente lastene anses å være tilnærmet konstant, og betegnes med bokstaven “P”. De viktigste permanente lastene er tyngden av konstruksjonen (egenvekt), tyngden av faste installasjoner og belastninger fra vann- og jordtrykk (SVV Håndbok N400, 2015).

Egenlast

Alle permanente konstruksjonsdeler regnes som egenlast. I tillegg skal dimensjonerende

belegningsvekt inkluderes i egenlasten. Minimumskravet til dimensjonerende belegningsvekt for separat gang- og sykkelbruer er gitt i Håndbok N400 tabell 5.2. I denne oppgaven med

spennvidde mindre enn 200 meter blir belegningsvekten lik 2,0 kN/m² (SVV Håndbok N400, 2015).

6.2.2 Variable laster (Q)

Laster som varierer over tid blir betegnet med bokstaven” Q”. De virker kun over en kortere tid og omfatter blant annet trafikklast, støt- og ferjelaster, naturlaster og snølast.

Trafikklaster

Trafikklast innebærer horisontal og vertikal belastning i gang- og sykkelbanen. Trafikklasten skal plasseres i lengde- og tverretning slik at det skaper den mest ugunstige situasjonen (SVV

Håndbok R412, 2014). Håndbok N400 viser til NS-EN 1991-2 for karakteristiske verdier for trafikklaster. Grunnet oppgavens omfang sett bort ifra dynamiske virkninger.

Trafikklasten beregnes etter tre forskjellige tilfeller (NS-EN 1991-2, 2010):

- jevnt fordelt last q_fk, beskrevet i 5.3.2.1 (2)

- konsentrert last Q_fwk, beskrevet i 5.3.2.2 (1). Neglisjeres da Q_serv benyttes.

Jevnt fordelt last qf k

Den jevnt fordelte lasten plasseres i lengde - og tverretning slik at lastvirkningen virker mest ugunstig (NS-EN 1991-2, 2010). Anbefalt verdi for qfk regnes ut fra lastlengden L = 70 m og fremgår som følger (NS-EN 1991-2, 2010):

Last fra servicekjøretøy/uheldig opptreden, Qse rv

Når ingen permanent hindring stopper kjøretøy fra å kjøre på bruen, skal lastvirkningen fra uheldig opptreden av kjøretøy medregnes (NS-EN 1991-2, 2010)

Lastmodellen som benyttes består av to akslinger på 80kN og 40kN, med en akselavstand på 3,0 meter og c/c - avstand mellom hjulene på 1,3m på tvers. Samlet blir det fire

punktlaster, hver punktlast er fordelt på en kontaktflate 0,2x0,2 meter (NS-EN 1991-2, 2010).

Horisontale krefter

Horisontalkraften, Q_hlk, i lengderetning settes lik den største kraften av (NA.5.4):

1) 10% av den jevnt fordelte lasten qfk

2) 60% av total belastningen for servicekjøretøy Qserv.

I tverretning settes horisontalkraften lik 25% av den horisontale kraften i lengderetning. Denne kraften opptrer kun samtidig med last fra servicekjøretøyet Qserv (NA.5.4(2).

Figur 6. 3: Uheldig opptreden kjøretøy. Hentet fra NS-EN 1991-1.

Temperaturlast

Fra Isotermkart gitt i NA:2008, får vi for Mandaldistriktet en døgnmiddeltemperatur ved havnivået med 100-års returperiode på maksimalt 34 - 36 ⁰C og minimum (- 25) - (-20)⁰C.

I begge våre tilfeller faller de gjeldene bruene under brutype 1: stålbru. Fra figur 6.4, kan vi lese av verdier for nedre/øvre jevnt fordelte brutemperaturer, gitt brutype og den representative lufttemperaturen på stedet. Den

termiske dimensjoneringen av konstruksjonen kan deles inn

i jevnt fordelt temperaturandel, intervall for jevnt fordelt brutemperaturandel og lineært/ ikke lineært vertikale - og horisontale laster (NS-EN 1991-1-5, 2008). Dette legger grunn for videre beregninger av temperaturpåvirkningene. Vi har på grunn av oppgavens omfang valgt å se bort ifra videre utregninger av temperaturlastene, og henter disse lastene direkte fra Robot.

Snølast

Snø- og trafikklast medregnes ikke å opptre samtidig da det er mulighet for snørydding (SVV Håndbok N400, 2014). Snølast på mark for Mandal kommune er 3,5 kN/m² (NS-EN 1991-1-3, 2008)

Vindlast

Vindlasten bestemmes etter NS-EN 1991-1-4 og Håndbok N400. I henhold til Håndbok N400 bestemmes vindlasten på brukonstruksjoner etter tre vindklasser (se vedlegg C). Da vi ser bort ifra dynamiske laster, skal bruene dimensjoneres etter vindklasse 1. Vindlasten beregnes da på grunnlag av hastighetstrykket i hovedstrømsretningen, gitt i NS-EN 1991-1-4.

Vindlast på bruer forekommer i to lasttilfeller. Det ene tilfellet er når kun vind og egenvekt opptrer på brukonstruksjonen, mens det andre tilfellet er en kombinasjon av vindlast og trafikklast (SVV Håndbok N400, 2015). I henhold til håndbok N400 stilles det ingen krav til kontroll for separat gang- og sykkel bru for kombinasjonen av vindlast og trafikklast. Det blir derfor sett videre på lasttilfellet hvor kun vind og egenvekt opptrer.

Figur 6. 4: Valg av klasse (type) med hensyn til temperaturandelen på stedet.

Hentet fra NS-EN 1991-1-5

Vindhastighettrykk qp(z) blir regnet ut ifra NS-EN 1991-1-4, og blir deretter multiplisert med effektiv høyde på bruen, for å få linjelasten som virker på brudekket.

Dynamiske laster

Vibrasjoner i bruer er i nyere tider blitt ett økende problem, og påvirker dimensjonering i bruksgrensetilstanden. På grunn av godt optimaliserte brukonstruksjoner og en mer effektiv materialbruk, blir resultatet lettere brukonstruksjoner. Denne effektiviseringen av konstruksjonen fører til økt forhold mellom nyttelaster og egenlast, og et tverrsnitt med dårligere egenskaper mot de dynamiske kreftene som oppstår.

Foruten vind, som ved valg av vindklasse 1 kan sees bort ifra (avsnitt 6.2.2), vil kreftene av fotgjengere virke drivende og kan føre til store dynamiske krefter. Disse kreftene kan forårsake svingninger, og står sterkt i fokus ved prosjektering og dimensjonering. De dynamiske kreftene påvirkes derfor av massen, antall fotgjengere og dempningsforholdene, på lik linje med de naturlige frekvensene. Dimensjonering mot vibrasjoner/svingninger og de dynamiske

påvirkningene, er en krevende prosess, og grunnet oppgavens omfang, er det valgt å beskrive prosessen videre uten beregninger. Som nevnt tidligere, påvirker dimensjoneringen av dynamiske laster bruksgrensetilstanden, og det er derfor stor frihet vedrørende kravene til utforming.

Kravene fastsettes derfor ofte av hvert enkelt prosjekts byggherre (Heinemeyer et al, 2009).

Disse vibrasjonene kontrolleres mot akseptkravene, og fra artikkel gjennomført av JRC Scientific går den anbefalte fremgangsmåten ved dimensjoneringen som følgende: