Dimensjonering av bru over Nordåsstraumen

I

BACHELOROPPGAVE

Dimensjonering av bru over Nordåsstraumen

Structure analysis of bridge over Nordaasstraumen

Institutt for Byggfag

Avdeling for ingeniør og økonomifag Innleveringsdato: 24.05.17

Thomas Ivarjord Jonas Ødegård Aanby Axel Strand Veileder: Svein-Rune Kleppe

Vi bekrefter at arbeidet er selvstendig utarbeidet, og at referanser/kildehenvisninger til alle kilder som er brukt i arbeidet er oppgitt, jfr. Forskrift om studium og eksamen ved Høgskulen på Vestlandet, § 10.

II

HOVEDPROSJEKT

TITTEL: «Dimensjonering av bru over Nordåsstraumen»

GRUPPEDELTAGERE:

Axel Strand, Thomas Ivarjord, Jonas Ø. Aanby OPPGAVEN ER GITT I SAMARBEID MED:

BEDRIFT: Statens vegvesen

ADRESSE: Nygårdsgaten 112, 5008 Bergen TELEFON: 02030

KONTAKTPERSON: Mathieu Pescheux

INTERN VEILEDER: Svein-Rune Kleppe

KORTFATTET FORMULERING AV OPPGAVEN:

Eksisterende bru over Nordåsstraumen er gammel og krever utskifting. Statens Vegvesen ønsker derfor at vi skal se på alternativer til ny bruløsning.

For å finne den best egnede løsningen ble det gjennomført en mulighetsstudie, hvor vi vurderte ulike bruløsninger og materialer. Videre skulle vi dimensjonere dekket for den valgte bruløsningen.

III

Forord

Dette hovedprosjektet er avslutningen på byggingeniørstudiet, og utdanningen ved Høgskulen på Vestlandet. Hensikten med denne oppgaven er å lære mer om virkemåten til forskjellige bruer, og å få innsikt i hvordan ei bru prosjekteres.

Før jul søkte vi om å få skrive en oppgave i samarbeid med Statens vegvesen. Vi fikk da tilbud om å skrive for bruseksjonen, noe vi syntes virket veldig interessant. Vi har lært lite om brukonstruksjoner på skolen, og vi så dermed fram til å ta fatt på oppgaven. Vi tror at dette vil være nyttig kunnskap å ta med seg på veien videre.

Rapporten består av en mulighetsstudie for kryssing av Nordåsstraumen, en vurdering på fremtidige utfordringer ved ei slik bru, og dimensjonering av den valgte brutypen.

Vi vil gjerne rette en stor takk til Mathieu Pescheux for god veiledning og for at han satte av såpass mye tid til oss. Takk til Svein-Rune Kleppe for all hjelp med oppgaven, og god veiledning. Vi vil også takke Stian Persson for hjelp med valg av oppgave og utforming av problemstillingen.

Bergen 24.05.2017

____________________ ____________________ ____________________

Axel Strand Thomas Ivarjord Jonas Ø. Aanby

IV

Sammendrag

Hovedmålet med denne oppgaven har vært å se på ny bruløsning til krysning av

Nordåsstraumen. For å finne den beste bruløsningen har vi gjennomført en mulighetsstudie av ulike bru- og materialtyper som egner seg til dette.

Vi vurderte forskjellige bruløsninger som er vanlige i Norge. De ulike brutypene vi vurderte var buebru, hengebru, skråstagsbru, fagverksbru, plate-, bjelke- og kassebru.

Ved elimineringsmetoden utelukket vi brutyper som ikke egnet seg til denne krysningen.

Faktorer som at det ikke var krav om kun ett spenn, samt utfordringene med vedlikehold av stål, gjorde at plate-, bjelke- og kassebru virket som gode alternativer. De kan bygges kontinuerlig over flere søyler, og bygges ofte i betong. Disse bruene har like egenskaper og brukes mye om hverandre. Siden brua hadde en stor bredde (11m) valgte vi å gå for platebru.

Kreftene vil fordele seg ulikt i plater og bjelker, spesielt ved eksentriske laster som trafikklaster. Plater vil få et todimensjonalt bærersystem, hvor momenter vil fordele seg utover i platen. Slike beregningsmodeller kan være uoversiktlig og utfordrende å jobbe med.

Ved å finne en faktor for å kompensere for forskjellene i de eksentriske lastene, kunne vi beregne kreftene i en bjelkemodell.

Søylenes plassering er gitt av framkommelighet for båter, samt at vi ønsker få lavest mulig moment i alle spenn.

I rapporten er det lagt vekt på å finne laster i henhold til gjeldende regelverk.

Armeringsmengde er funnet i dataprogrammet Bt-snitt, og vi har kontrollert resultatene ved håndberegninger.

Lange spenn og store krefter førte til problemer med rissvidde, som måtte kompenseres for med stor armeringsmengde. Brukonstruksjonen ble godkjent for alle kontroller i brudd-, bruksgrense. Vi har kommet fram til at det er mulig å slakkarmere over lange spenn. Dette gir derimot store utfordringer når det gjelder riss, og krever mye armering. Ved å sette

betongkonstruksjonen i spenn minsker rissvidden. Spennarmering er derfor et alternativ som bør vurderes ved denne krysningen.

V

Abstract

The main goal of this assignment is finding a new bridge to cross Nordåsstraumen. To find the best bridge solution, we have conducted a feasibility study of suitable bridge types and structural materials.

We evaluated different bridge types that are common in Norway. The different bridge types we assessed were arch bridges, suspension bridges, cable-stayed bridges, truss bridges, beam bridges, box girder bridges and slab bridges.

By method of elimination we could rule out bridge types not suited for this crossing. With no requirement for one span, and the challenges connected to maintenance of steel, we concluded that slab-, beam- and box girder bridges seemed like good alternatives. They can be built continuously over several columns, and are often built in concrete. These bridges have much the same properties and are used in similar crossings. Since the bridge has a large width (11m) we chose slab bridges for further dimensioning.

The forces will spread differently in slabs and beams, especially in eccentric loads such as traffic loads. Slabs will have a two-dimensional support system, where moments will spread throughout the slab. Such calculation models can be complex to work with. By finding a factor to compensate for the differences in the eccentric loads, we could calculate the forces in a beam model, which is simpler.

The position of the pillars is given by accessibility to boats, and that we want the lowest possible moments for all spans.

The calculations in this report follow the current rules and regulations.

Required amount of reinforcement were found in the computer program “Bt-snitt”, and we have checked the results by manual calculations.

Long spans and great forces led to problems with cracking, which had to be compensated for with a large amount of reinforcement.

The structure was ok for controls in ultimate- and serviceable limit state.

We have concluded that it is possible to use unstressed reinforcement over long spans. On the other hand, this gives rise to challenges in terms of cracking, and requires a lot of

reinforcement. By pre-stressing the concrete, the cracking reduces. Pre-stressed reinforcement is therefore an option that should be considered at this crossing.

VI

Innholdsfortegnelse

Forord ... III Sammendrag ... IV Abstract ... V Figurer ... IX Tabeller ... XI

1. Innledning ... 1

1.1 Avgrensing av oppgave ... 2

1.2 Problemstilling ... 2

2. Mulighetsstudie ... 3

2.1 Krysningen ... 3

2.2 Bruas karakter ... 5

2.3 Brutyper ... 6

2.3.1 Buebru ... 6

2.3.2 Fagverksbru ... 7

2.3.3 Skråstagbruer ... 8

2.3.4 Hengebru ... 9

2.3.5 Kasse-, bjelke og Platebru ... 10

2.4 Vurdering av brukonstruksjonene ... 11

2.5 Valg av ulike løsninger ... 11

3. Vedlikehold ... 12

3.1 Innledning ... 12

3.1.1 Oppgavebeskrivelse og avgrensning ... 12

3.2 Vedlikeholdsutfordringer og metoder ... 12

3.2.1 Vedlikehold ... 12

3.2.2 Nedbrytning av konstruksjonsmaterialer ... 12

3.2.3 Stål ... 13

3.2.4 Betong ... 14

3.3 Vedlikeholdsmetoder ... 16

3.3.1 Katodisk beskyttelse ... 16

3.4 Andre utfordringer ... 17

3.4.1 Tilkomst... 17

3.4.2 Trafikkavvikling ... 17

VII

3.5 Vurdering av materialer ... 17

3.6 Anbefalinger for ny bru ... 18

4. Laster ... 19

4.1 Permanente laster ... 20

4.1.1 Egenvekt ... 20

4.2 Variable laster ... 20

4.2.1 Snølast ... 20

4.2.2 Vindlast ... 20

4.2.3 Laster fra drivende is ... 22

4.2.4 Termiske laster ... 23

4.2.5 Seismiske laster ... 25

4.2.6 Trafikklaster ... 26

4.3 Ulykkeslaster ... 28

4.3.1 Ulykker forårsaket av kjøretøy, skip eller tog ... 28

4.3.2 Laster fra skred og flom ... 29

4.4 Lastkombinasjoner ... 30

5. Plate- kontra Bjelkeberegninger ... 31

6. Utforming av bru: ... 32

6.1 Inndata materialer ... 35

7. Robot ... 35

7.1 Aksesystem ... 36

7.2 Opplager ... 36

7.3 Søyleplassering ... 37

7.4 Bjelkemodell ... 38

7.5 Platemodell ... 39

7.5.1Modellering ... 39

7.5.2 Lastplassering ... 40

7.6 Platefaktor ... 40

7.7 Kontroll Robotberegninger ... 42

8. Betongtverrsnitt ... 44

9. Dimensjonering ... 47

9.1 Bruddgrense ... 47

9.1.1 Lengdearmering ... 47

9.1.2 Fordelingsarmering ... 50

VIII

9.1.3 Skjærarmering ... 50

9.1.4 Gjennomlokking: ... 53

9.1.4 Torsjon ... 54

9.2 Bruksgrense ... 55

9.2.1 Rissvidde ... 56

9.2.2 Nedbøyning ... 57

9.3 Ulykkesgrense ... 58

9.4 Kantdrager ... 58

10. Konklusjon ... 60

Forslag til videre arbeid ... 61

Referanser ... 62

Vedlegg ... 65

IX

Figurer

Figur 1: Oversikt over bruas plassering. Bildet er hentet fra Google Maps ... 1

Figur 2: Eksisterende bru sett fra østsiden ... 1

Figur 3: Kortest mulig spenn [2] ... 3

Figur 4: Lengste og dyreste løsning [2] ... 3

Figur 5: Ønsket utforming på brua [2] ... 3

Figur 6: Illustrasjon av mulige krysningsalternativer ... 4

Figur 7: Buebru med overliggende brudekke V440 4.3.5 ... 6

Figur 8: Buebru med underliggende brudekke v440 4.3.5 ... 6

Figur 9: Svinesundsbrua [38] ... 6

Figur 10: Eksempel på fordeling av kreftene i ei buebru. Tegnet av Jonas Ø. Aanby ... 6

Figur 11: Eksempel på ei vakker fagverksbu [37] ... 7

Figur 12: Virkemåten til en fagverksbru [21]... 7

Figur 13:Helgelandsbrua, [22] ... 8

Figur 14: Kraftgang i skråstagsbru [36] ... 8

Figur 15: Parallell- og vifteutformet skråstagsbru [23] ... 8

Figur 16: Hardangerbrua [39] ... 9

Figur 17: Virkemåten til ei hengebru [24] ... 9

Figur 18: Skisse av bjelkebru [3] fig. 4.3.3-1 ... 10

Figur 19: Skisse av platebru [3] fig. 4.3.2-3 ... 10

Figur 20: Skisse av kassebru [3] fig. 4.3.4-1 ... 10

Figur 21: Børøybrua er ei platebru [25] ... 10

Figur 22: Eksempel på tverrsnitt av stål behandlet med dupleks-system. [28] ... 13

Figur 23: Selv etter 40 år uten vedlikehold så stålet slik ut etter behandling med duplekssystem. [6] 13 Figur 24: Oversikt over sammenhengen mellom v/c-forhold og betongens poresystem. [29] ... 14

Figur 25: Oppsprekking av betong [31] ... 15

Figur 26: Figuren viser betydningen av overdekning i forhold til initieringstiden [32] ... 15

Figur 27: Avskalling har ført til synlig armering [33] ... 16

Figur 28: Tilkomst kan kreve store maskiner [35] ... 17

Figur 29: De forskjellige kraftretningene i standarden ... 21

Figur 30: Beskrivelse av temperaturandel [13] fig 4.1 ... 23

Figur 31: Skissering av kjørebaneinndeling ... 26

Figur 32: Lastplassering av Tandem system ... 26

Figur 33: Visualisering av lastmodell 2 [15] fig.4.3 ... 27

Figur 34: Tverrsnittsutforming av dekke [3] fig.4.3.2-3 ... 31

Figur 35: Brua sett ovenfra. Målt i mm ... 32

Figur 36: Oppriss sett fra vest ... 33

Figur 37: Mal for plateutforming. N100 kap 4.5 ... 33

Figur 38: Platetykkelse trespenns bru. N100 kap. 4.5 ... 33

Figur 39: Tverrsnittsutforming av brua ... 34

Figur 40: Bjelkemodell ... 35

Figur 41: Platemodell ... 35

Figur 42: Bjelkemodellen med aksesystemet ... 36

X

Figur 43: Form på momentdiagram ved 20 meter spenn på sidene og 40 meter midtspenn ... 37

Figur 44: Optimalt momentdiagram med tilnærmet like moment i underkant. Her er søylene plassert med 24,5 meter sidespenn og 31 meter midtspenn. ... 37

Figur 45: Bjelkemodellen sett fra siden med akser og høyder ... 38

Figur 46: Søyler etter offset ... 38

Figur 47: Søyler før offset ... 38

Figur 48: Platemodellen med aksesystemet ... 39

Figur 49: Tverrsnittsdata og materialegenskaper til "dummystavene" ... 39

Figur 50: Inndeling av laster. Her ser vi hvordan de jevnt fordelte lastene i lastmodell 1 ser ut. ... 40

Figur 51: Oversikt over momentene som oppstår langs platen ... 40

Figur 52: Nærmere bilde av feltmomentet viser hvordan momentverdier blir vist i Robot, og hvor lite område den største kraften virker på. ... 41

Figur 53: Normalkraft ned i søylen ... 42

Figur 54: Skjærkrefter i dekket ... 42

Figur 55: Momentdiagram fra en last på 5 kN/m i Robot ... 42

Figur 56: Dimensjoner og momenter i BT-snitt ... 44

Figur 57 Rissviddekontroll flens [40] ... 45

Figur 58 Rissviddekontroll steg [40] ... 45

Figur 59 Valgt armeringsmengde for tverrsnittet ved opplegg i BT-Snitt ... 45

Figur 60: Beregnet skjærarmeringsmengde i BT-snitt ... 46

Figur 61: Beregnet bøyleavstand i lengderetning ... 46

Figur 62: Armeringstegning ved opplegg ... 48

Figur 63: Armeringstegning i felt ... 49

Figur 64: Skisse for avtrapping av armering: ... 49

Figur 65: Skjærkraftdiagram fra Robot ... 51

Figur 66: Beregnet bøyleavstand i lengderetning ... 52

Figur 67: Beregnet skjærarmering i tverrsnitt ... 52

Figur 68 NS-EN 1992-1-1 fig.6.13 ... 53

Figur 69: Utnyttelsen av platen med skjær- og torsjonskrefter ... 54

Figur 70: Nedbøyning i Robot pga. "tilnærmet permanente laster" ... 57

Figur 71: Maks nedbøyning på grunn av karakteristisk trafikklast ... 58

Figur 72: Dimensjoner kantdrager ... 58

Figur 73: Armeringstegning av kantdrager ... 59

XI

Tabeller

Tabell 1: Permanente laster ... 19

Tabell 2: Variable laster ... 19

Tabell 3: Ulykkeslaster ... 20

Tabell 4: Referansevindhastighet i Bergen [12] tab. NA.4(901.1) ... 21

Tabell 5: Vindkasthastighet som brukes videre ... 22

Tabell 6: Krefter på brua med og uten trafikk ... 22

Tabell 7: Jevnt fordelt temperaturandel ... 24

Tabell 8: Vertikalt lineært varierende temperaturandel ... 24

Tabell 9: Samtidighet av temperaturandelene ... 24

Tabell 10: Lastene legges inn som "thermal load" i Robot ... 25

Tabell 11: Aksellast og jevnt fordelt last i de forskjellige arealene ... 27

Tabell 12: Dimensjonerende lastkombinasjon i bruddgrense... 30

Tabell 13: Inndata på betongkvalitet ... 35

Tabell 14: Dimensjoner og opplagre på bjelkemodellen... 38

Tabell 15:Oversikt lengdearmering ... 49

Tabell 16: Valgt skjærarmeringsmengde fra BT-snitt ... 51

Tabell 17: Kontroll av senteravstand ... 52

Tabell 18: Grenseverdi for største tillatte rissvidde [18] tab. NA.7.1N ... 55

Tabell 19: Lastfaktor for tilnærmet permanent kombinasjon ... 56

1

1. Innledning

Kryssingen vi skal se på heter Nordåsstraumen, og ligger i Bergen.

Den ligger mellom Søreide og

Straume, og er den eneste innseilingen inn til Nordåsvannet.

Veien som går over brua er Fylkesvei 556, og hadde i 2016 en årlig

døgntrafikk på 3900 kjøretøy, hvorav det er 9% lange kjøretøy [1]. Veien brukes av trafikanter som skal til Søreide eller Straume, og som ikke

bruker tunnelen som går under krysningen.

Brua over Nordåsstraumen er fra 1947. Den har senere blitt forbedret med ny overbygning og en heve- og senkeløsning. Grunnen til at vi ser på denne krysningen er at veiens kurvatur må utbedres. Brua ligger med to ugunstige svinger på den ene siden, og det er ønske om å bli kvitt disse. Siden svingene er såpass skarpe og uoversiktlige øker faren for trafikkuhell.

Gangfeltet er også slitt og dårlig, og det er et problem at syklister glir og faller på de glatte gitterristene.

Figur 2: Eksisterende bru sett fra østsiden

Figur 1: Oversikt over bruas plassering. Bildet er hentet fra Google Maps

2

1.1 Avgrensing av oppgave

Når vi skal løse denne oppgaven er det noen forutsetninger og forenklinger vi har lagt til grunn, som en måtte tatt hensyn til ved prosjektering av ny bru. Dette er gjort for at det skal være mulig å bli ferdig med oppgaven innen tidsfristen, og at nivået skal være innenfor vår kompetanse.

Nåværende bru har en heve- senkeløsning. I samarbeid med SVV har vi valgt å se bort fra dette ved dimensjonering av ny bru. Det vil derfor ikke være mulig for seilbåter å komme seg gjennom sundet med den nye brua. Dette er gjort av hensyn til vårt kompetansenivå.

Vi har også kommet fram til at vi ikke skal dimensjonere landkar og søyler. Dette er av hensyn til tiden dette ville ha tatt, og omfanget av oppgaven ville blitt veldig stort. Derfor har vi bestemt oss for å se kun på dekket, og kreftene som virker på det. Det ble gjort en forenklet dimensjonering av søylenes tverrsnitt som vi bruker i de statiske modellene og beregninger for gjennomlokking.

Veilinjen har vi fått ferdig tegnet av SVV med dimensjoner og plassering i terreng. Svingen i enden av brua er sett bort fra, slik at vi får en rett brubane.

Vi har valgt å gå for slakkarmering siden dette er noe vi har kjennskap til fra før. På denne måten kan vi også erfare noen av utfordringene ved å slakkarmere over slike spenn.

1.2 Problemstilling

Undersøk ulike bruløsninger for krysningen over Nordåsstraumen. Gjør en vurdering av de forskjellige løsningene, og kom fram til den best egnede brutypen. Vurder videre utfordringer knyttet til vedlikehold av bru av forskjellige materialer. Dimensjoner overbygningen på valgt bruløsning i henhold til gjeldende standarder og håndbøker.

3

2. Mulighetsstudie

Oppgaven vår går ut på å designe overbygningen til ei bruløsning over Nordåsstraumen. I forarbeidene skal vi utføre en mulighetsstudie hvor vi ser på alternative brukonstruksjoner.

Dette gjør vi for å få et innblikk i forskjellige brutyper og hvordan man velger riktig brukonstruksjon. Her vil vi prøve å ta en helhetlig vurdering basert på pris, estetikk og vanskelighetsgrad av prosjekteringen.

2.1 Krysningen

Valg av krysningssted kan være avgjørende for resultatet. Her skal det tas hensyn til den geometriske utformingen av veien, samtidig som bruas estetiske kvaliteter og samhandling med naturen blir bevart.

Er veiens geometri låst på forhånd, skaper dette ofte uheldige og unødvendig dyre løsninger.

Tidligere har faktorer som pris og linjeføring gått foran estetikk, dette vil SVV endre [2].

Den historiske modell: veiens linjeføring er kun bestemt av brua. Økonomisk sett er dette den mest gunstige løsningen.

Det gir den korteste og retteste brua. Veiens linjeføring blir derimot dårlig, med krappe svinger og dårlig sikt.

Dagens modell: Bruas geometri er bestemt av veiens linjeføring. Med tanke på estetikk og kostnad er dette en uheldig løsning. Denne løsningen gir ofte lengre spenn og dermed økte kostnader.

Ønsket modell: En helhetlig betraktning av veiens og bruas utforming. Her tas det hensyn til både bruas estetikk og økonomi. Løsningen gir kortere bruer og bedre optisk ledning.

Figur 3: Kortest mulig spenn [2]

Figur 4: Lengste og dyreste løsning [2]

Figur 5: Ønsket utforming på brua [2]

4 Eksempel på valg av linjeføring:

 Gul løsning: Er en tenkt løsning som følger dagens modell. Gir retteste kjørebane, men gir et veldig langt spenn. Dette gjør den dyrere og den blir et større inngrep i naturen.

 Rød løsning: Historisk modell.

Her ligger den gamle brua. Gir den billigste løsningen, men veien får dårlig linjeføring. Det er krappe svinger og dårlig sikt.

Dette skaper sikkerhetsproblemer.

 Grå løsning: Forslag fra SVV. Denne følger ønsket modell. Grå løsning er et

kompromiss mellom gul og rød løsning. Gir god linjeføring, samtidig som spennet ikke blir for langt. Vi har valgt å gå videre med løsningen fra SVV, da den løser

utfordringene ved krysningen på en god måte.

Figur 6: Illustrasjon av mulige krysningsalternativer

5

2.2 Bruas karakter

«Bruas visuelle karakter er det utrykket ei bru har, enten den er bevist utformet eller ikke.»

[2]s.97

Sundet er som nevnt inngangen til Nordåsvannet, og er sterkt trafikkert av både båter og biler.

Brua vil sees både ovenfra og nedenifra, og være et kjennemerke i området. Dette stiller krav til bruas utforming og hvordan den samhandler med landskapet.

Bruer deles inn i to kategorier etter karakter og utforming:

 Bevisst utformede bruer - Visuelt markante bruer - Anonyme bruer

 Bevisstløst utformede bruer

Markante bruer preger omgivelsene ved sin utforming. De har en egenidentitet og virker som et kjennemerke i området. Store bruer og bruer med særpreget utforming blir gjerne monumentale. For slike bruer er valg av plassering, konstruksjonstype og proporsjoner svært viktig for et godt resultat.

Anonyme bruer er ikke fremtredende i sine omgivelser. Brutypen er valgt for å fremheve andre faktorer i omgivelsene. Denne typen konstruksjon kan for eksempel benyttes i en bru-ved-bru-situasjon. Flere bruer med ulik karakter kan fremstå som rotete. Kravet til utforming er like stort for anonyme bruer som markante. Design bør gis samme omtanke, slik at den kan komplimentere sine omgivelser.

Bevistløst utformede bruer er bygget uten spesiell tanke på estetikk og totalinntrykk.

Bruer hvor det eneste fokuset har vært økonomi faller ofte under denne kategorien.

Informasjon om kategorisering av bruers karakter er hentet fra: [2] Kap. 7.

6

2.3 Brutyper

Hvilken brukonstruksjon som egner seg best til krysningen varierer fra sted til sted. Vi har derfor valg å se på noen klassiske bruløsninger som har vært mye brukt i Norge.

2.3.1 Buebru

Buebruer har hovedbæresystem utført som en bue, og vil bære lastene som trykk i bueretningen [3]s.31. Buen er ofte parabel- eller sirkelformet, og konstrueres i stål, tre eller betong. Buebruer har mange utformingsmuligheter, og kan fremstå som inngangsport til Nordåsvannet. Brua har gode muligheter for å tilpasses, med tanke på det estetiske og bruas statiske system.

Buer overfører trykkreftene til grunnen i bueretningen. Grunnen vil derfor bli belastet både horisontalt og vertikalt av denne trykkraften. Dette gjør at buebruer normalt bare bygges der det er meget gode grunnforhold.

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

innspenningsmomenter, og krever derfor gode fundamenteringsforhold. To- og treleddsbuer er bedre egnet ved dårlige grunnforhold, da de ikke får momenter i opplagringen. Det er også mulig å legge brubanen som et strekkbånd mellom buen. Brubanen vil da ta

horisontalkreftene fra buen, og man trenger ikke like gode grunnforhold.

Figur 10: Eksempel på fordeling av kreftene i ei buebru. Tegnet av Jonas Ø. Aanby Figur 8: Buebru med underliggende

brudekke v440 4.3.5 Figur 7: Buebru med overliggende brudekke

V440 4.3.5

Figur 9: Svinesundsbrua [38]

7

2.3.2 Fagverksbru

I Norge ble det tidligere bygget mange fagverksbruer av stål i forbindelse med utbygning av vei og jernbanenettet. Dette kom av stålets gode materialutnyttelse og økonomisk lønnsomhet.

På grunn av økte stålpriser og arbeidskrevende montering har armert betong i nyere tid overtatt for stål på de fleste bruer.

En av utfordringene med denne typen bru er at de fort får et industrielt preg. Det finnes også

eksempler på nyoppførte fagverksbruer i stål der arkitekten har funnet kreative løsninger samt klart å fjerne bruas «industrielle preg». Et eksempel på dette kan være Akrobaten bru som krysser Oslo S, som vist på figur 11.

Fagverksbruer er en brutype med hovedbæresystem baser på et kjent

konstruksjonsprinsipp kalt fagverk. Dette er en stiv konstruksjon som er satt sammen av rette stag hvor endepunktene er satt sammen i

knutepunkter. I et ideelt fagverk, hvor knutepunktene regnes leddet, får stavene vekselvis trykk- og strekkrefter aksialt [3].

Ei riktig konstruert fagverksbru vil dermed lede kreftene på brua vertikalt ned i fundamentene, noe som fører til at konstruksjonen egner seg til steder med dårlige grunnforhold.

Figur 12: Virkemåten til en fagverksbru [21]

Figur 11: Eksempel på ei vakker fagverksbu [37]

8

2.3.3 Skråstagbruer Skråstagbru er ei bru som

kjennetegnes ved at man har festet stag eller kabler opp til tårn som sørger for bæringen av

konstruksjonen. Disse bruene bygges ofte symmetrisk ut fra tårnene etter fritt

frambyggprinsippet. Tårnene og brukassen består som regel av betong, mens kablene er laget av

stål. Som vist på figur 13 kan dette være en elegant brutype som markerer seg godt i omgivelsene.

For de fleste skråstagbruer kan konstruksjonssystemet deles inn i fire hovedkomponenter [4]

1. Kabelsystemet som holder dekket oppe

2. Dekket man kjører og går over

3. Tårnene, som holder konstruksjonen oppe

4. Landkar som støtter opp om brudekket vertikalt og horisontalt

Utformingen av kablene er

hovedsakelig i enten vifteform, eller harpeform, også kalt parallellform. Når kablene er satt opp i vifteform, vil de være opphengt på et konsentrert område i toppen av søylen, og så fordele seg utover langs dekket slik at kablene ikke blir parallelle.

Figur 13: Helgelandsbrua, [22]

Figur 15: Parallell- og vifteutformet skråstagsbru [23]

Figur 14: Kraftgang i skråstagsbru [36]

9 Harpeutformede skråkabler vil si at alle kablene går parallelt med hverandre. Da er opphenget av kablene fordelt mer over hele søylen.

Når kablene blir festet i brubanen, blir de festet via indre tverrbærere. Da vil brua bære ved at kablene holder oppe brubanen ved hjelp av strekk [3]. Brubanen og tårnene vil bli påført et trykk, og det er derfor vi bygger disse delene i betong. Trykket i brudekket vil være med på å øke kapasiteten til dekket, i og med at betong bærer bedre i trykk.

2.3.4 Hengebru

Hengebruer har mange likhetstrekk med skråstagbruer, og vil som regel markere seg godt i omgivelsene.

Hovedbæresystemet består av

hengekabler som holdes oppe av tårn.

Disse er endeforankret i fjell eller ved gravitasjonsforankring [3] kap. 4.3.7.

Forankringen vil gi horisontalkrefter, som fundamentene må ta opp.

Hengebruer bygges derfor ofte på gode grunnforhold. Avstivningsbæreren utgjør

sekundærbæresystemet og kan bestå av bjelker, fagverk eller kasse i stål. Hengebruer kan bygges svært slanke og kan spenne over store distanser.

Dimensjonering av hengebru er avansert på grunn av store tårn, og omfattende fundamentering. Dette kan gjøre brutypen til en kostnadsmessig dyr konstruksjon.

Figur 17: Virkemåten til ei hengebru [24]

Figur 16: Hardangerbrua [39]

10

2.3.5 Kasse-, bjelke og Platebru

Design og konstruksjonsprinsipp i Kasse-, bjelke- og platebruer er ofte enkelt. Forskjellen på en plate- og bjelkebru avhenger av forholdet mellom tverrsnittshøyden og bredden. I en bjelkebru består hovedbæresystemet av en eller flere bjelker.

I platebruer er det selve platen som utgjør hovedbæresystemet Plate- og bjelkebruer utføres ofte i kombinasjon.

Kassebruer har bedre stivhetsegenskaper enn plate- og

bjelkebruer. Bæresystemet består av et eller flere kassetverrsnitt, med steg som fordeler kreftene fra topp- til bunnflens, og tar skjærkrefter. Den egner seg derfor bedre enn plate- og bjelkebruer til lengre spenn.

Felles for disse brutypene er at de ofte brukes over korte spenn, men de kan bygges

kontinuerlig med flere søyler for lengre bruer.

Et eksempel er Børøybrua som har 15 spenn på totalt 326 meter.

Design og konstruksjon av slike bruer er relativt enkelt. Dette kan gjøre dem rimeligere enn mer «dominerende» brukonstruksjoner, som bue- henge- og skråstagbruer. De

beskjedene brutypene kan fort ansees som kjedelig. Platebruer representerer en meget stor del av de bruer som bygges i Norge. Derfor vil det ha betydelige positive konsekvenser hvis vi kan klare å heve den estetiske kvaliteten på disse “alminnelige bruene” [2]Kap. 7.

Ved å fokusere på detaljer i form av slankhet og lyssetting kan det oppnås en viss renhet og eleganse. Ei slik bru legges ofte til steder der bruas konstruksjon i seg selv skal stå i skyggen av omgivelsene, og faller under kategorien anonyme bruer.

Figur 21: Børøybrua er ei platebru [25]

Figur 20: Skisse av kassebru [3]

fig. 4.3.4-1

Figur 18: Skisse av bjelkebru [3] fig.

4.3.3-1

Figur 19: Skisse av platebru [3]

fig. 4.3.2-3

11

2.4 Vurdering av brukonstruksjonene

Buebruer har mange forskjellige utformingsmuligheter som gjør det mulig å forme brua etter landskapet. Buebro er krevende å konstruere og bygge, og siden vi har liten kjennskap til buekonstruksjoner velger vi å se vekk fra denne brutypen.

Fagverksbruer blir ofte assosiert med et industripreg. Dette skaper utfordringer når det gjelder å designe ei fagverksbru som vil komplimentere området. Vi velger derfor å utelukke

fagverksbru.

Skråstagsbruer og hengebruer brukes ofte ved lengre spenn. Brutypen krever omfattende fundamenteringsarbeid, og er kostbar å bygge og dimensjonere. Det er ikke krav til ett spenn, og avstanden over Nordåsstraumen er ikke så lang at det krever skråstag- eller hengebru. På bakgrunn av dette vil vi ikke gå videre med disse brutypene.

Plate- bjelke- og kassebruer er av de mest vanlige brukonstruksjonene i Norge. De er enkle i design og raske å oppføre. Dette gjør de veldig gunstig når det gjelder pris. Brutypene egner seg best til korte spenn, men da det ikke er krav om å ha ett spenn over sundet kan de bygges kontinuerlig med flere søyler.

2.5 Valg av ulike løsninger

Vi har snevret inn alternative brutyper basert på byggemetode, grunnforhold, pris og egen kompetanse. Basert på disse faktorene er plate- bjelke- og kassebru blant de brutypene som virker best egnet til krysningen.

De tre brutypene har lignende egenskaper og brukes mye om hverandre. I innledningen til oppgaven fortalte veileder oss om utfordringen ved å skalere opp bredden til bjelker slik at de

«oppfører» seg som plater. Dette ønsker vi å finne mer ut av. Vi har derfor valgt å gå for platebru.

12

3. Vedlikehold

3.1 Innledning

Det finnes over 18 000 bruer på norske riks- og fylkesveier, og de utgjør en viktig del av det norske veisambandet [5]. Mange av dem er store, kompliserte og ikke minst dyre

konstruksjoner som ofte er bygget for å kunne stå i 100 år. Men selv med en lang

dimensjonerende brukstid er det ofte nødvendig med omfattende vedlikehold for å nå dette målet. Samtidig som flere bruer bygges øker bekymringen for det økende

vedlikeholdsetterslepet på norske veier.

3.1.1 Oppgavebeskrivelse og avgrensning

Standard for drift og vedlikehold av riksveger er Håndbok R610. For spennvidder over 2,5 meter henviser denne videre til Håndbok R411 Forvaltning, drift og vedlikehold av bruer. I denne oppgaven ser vi bort fra forvaltning og drift, og konsentrerer oss hovedsakelig om forskjellige årsaker til at det må utføres vedlikehold på bruer, samt utfordringer knyttet til dette. Vi vil til slutt komme med en anbefaling til konstruksjonsmateriale, samt

vedlikeholdstiltak som kan gjøres på brua for å oppnå en levetid på 100 år.

3.2 Vedlikeholdsutfordringer og metoder

3.2.1 Vedlikehold

I følge Statens vegvesen er vedlikehold «innsats og aktiviteter som ivaretar den fysiske infrastrukturen i et lengre perspektiv». I Håndbok R411 Bruforvaltning skiller man gjerne mellom 3 typer vedlikehold: løpende vedlikehold, periodisk vedlikehold og reparasjon.

3.2.2 Nedbrytning av konstruksjonsmaterialer

Vi tar her for oss de vanligste konstruksjonsmaterialene som stål og betong og ser på årsakene til nedbrytning av materialene, samt måter dette kan forhindres. Vi har bevisst valgt å se bort fra tre som konstruksjonsmateriale på grunn av relativt liten bruk i store brukonstruksjoner langs norske riks- og fylkesveier.

13

3.2.3 Stål

Stål er et byggemateriale med mange gode mekaniske egenskaper. For å bevare disse

egenskapene er det viktig med god korrosjonsbeskyttelse. Siden brua går over saltvann vil den være utsatt for sjøsprøyt og luftbårende klorider. Disse kloridene vil være en stor påkjenning på konstruksjonen om det slurves med beskyttelse.

Duplekssystem

Et duplekssystem er et

korrosjonsbeskyttende system som består av et katodisk beskyttende metallbelegg med malingsbelegg utenpå. Det katodisk beskyttende belegget utføres med termisk sprøytet sink eller aluminium. Av erfaringer har SVV gått inn for sink som beskyttelsesbelegg med et dekkende lag av maling.

Malingen over sinklaget består av en «sealer» for å porefylle metalloverflaten, epoksy for å motstå påkjenninger utenfra, samt å skape en god festeoverflate for å legge toppstrøket med polyuretan.

Majoriteten av norske stålbruer bygget etter 1965 er korrosjonsbeskyttet etter denne

metoden. Et eksempel her er Rombaksbrua som ble behandlet med duplekssystem i 1970, og som i 2010 ikke er vurdert å trenge

vedlikehold, selv etter 40 år [6].

Figur 22: Eksempel på tverrsnitt av stål behandlet med dupleks-system [28]

Figur 23: Selv etter 40 år uten vedlikehold så stålet slik ut etter behandling med duplekssystem [6]

14 Vedlikehold

Ved riktig behandling kan bruer av stål stå i mange år uten behov for vedlikehold. For å oppnå dette har bruken av duplekssystem vist seg helt suveren over andre metoder. Og det er ikke uten grunn at denne metoden blir benyttet på brorparten av nyoppførte bruer i Norge.

Det er selvfølgelig viktig at det foretas inspeksjoner, og gjøres nødvendig vedlikehold med jevne mellomrom. Slik kan man oppdage tidlig når korrosjon inntrer, og man kan ta grep for å bevare konstruksjonen. Her er det også viktig at når man skal klargjøre konstruksjonen for nye malingsstrøk så tar man vare på blåsesand og malingsrester da dette skal leveres til godkjent mottak.

3.2.4 Betong

Betong er et sterkt materiale som ofte brukes i større bruer. Materialet har god bestandighet om det produseres riktig, og tilpasses det miljøet konstruksjonen skal stå i.

v/c tallets betydning

Alle komponentene og ingrediensene i betongen har stor innvirkning på hvordan resultatet blir, og hvor bestandig betongen blir mot ytre påkjenninger. Herunder har betongens tetthet stor betydning, og motstanden mot nedbrytende mekanismer er i stor grad avhengig av dette. Tettheten styres i stor grad av komponeringen av

delmaterialer, og v/c-tallet vil ha stor innvirkning på betongens permeabilitet [7]. v/c-tallet er vektforholdet mellom effektivt vanninnhold og sement i betongen. Ved økende v/c-tall, vil vannmengden øke, og dette medfører flere porer, se figur 24. På grunn av porene får vi en mer porøs betong som er mer sårbar for ytre påkjenninger.

Figur 24: Oversikt over sammenhengen mellom v/c-forhold og betongens poresystem. [29]

15 Alkalireaksjoner

Alkalireaksjoner er en kjemisk prosess hvor bergarter i tilslaget reagerer kjemisk med alkalier i betongens sementpasta. Reaksjonsproduktet fra reaksjonen, en alkaliegel, vil svelle og føre til opprissing av betongen.

For å få alkalireaksjoner må 3 betingelser være oppfylt: det må være alkalier tilstede, det må være et reaktivt tilslag å reagere med, og det må være vann for å drive prosessen. Alkali-ionene er Na⁺ og K⁺, og disse kommer som regel fra sementen, blandevannet eller tilsetningsstoffer. Innholdet av alkalier må være over 3 kg/m³ betong for at det skal skje reaksjoner [7]. De reaktive tilslagene er kvartsholdige bergarter, karbonatholdige bergarter og

silikatholdige bergarter som delvis består av leirmineraler. Om disse betingelsene er tilstede, og vanninnholdet er over 80% RF vil det skje en kjemisk reaksjon. Reaksjonsproduktet vil svelle, og betongen vil sprekke opp, og føre til armeringskorrosjon.

I praksis er det vanskelig å gjøre noe med dette når prosessen først er i gang. Noen preventive tiltak slik som overflatebehandling med impregnering eller belegg har hatt positiv effekt, men har ofte begrenset levetid og lukker bare riss frem til ny opprissing [8].

Karbonisering

Karbonisering er en kjemisk reaksjon mellom betong og karbondioksid (CO2). Når CO2 fra lufta trenger inn i betongen vil den over tid senke betongens pH-verdi slik at den beskyttende oksidfilmen som dekker armeringen forsvinner og korrosjon kan starte.

Når jernet korroderer, kan det deles inn i 2 perioder:

initieringstiden som er tiden det tar før passiviseringen av betongen er opphevet, og korrosjonstiden, som er der armeringen begynner å korrodere. Tykkelsen på overdekningen har stor betydning for initieringstiden som er illustrert i figur

26. Figur 26: Figuren viser betydningen av

overdekning i forhold til initieringstiden [32]

Figur 25: Oppsprekking av betong [31]

16 Konstruksjoner som er fullstendig neddykket i vann vil heller ikke korrodere på grunn av oksygenmangelen. Et lavere v/c-tall og type sement kan også senke hastigheten på angrepet.

Karbonisering ble tidligere ansett av vegvesenet som den største trusselen mot betongbruer før betydningen av kloridinntrengning ble oppdaget.

Kloridinntrengning

Inntrengning av klorider i betongen vil føre til nedbrytning av armeringens passivfilm med påfølgende armeringskorrosjon. Klorider kan enten blandes inn under støpning, eller trenge inn i betongen ved diffusjon eller gjennom sprekker og

åpninger.

Bruer vil ofte være ekstra utsatt for klorideinntrengning, som følge av sin plassering på kysten der klorider fremkalt av saltvann vil trenge inn i betongen. Selve initieringstiden kan ta flere tiår, og en har erfart at det mest effektive for å forhindre klorideinntrengning er å øke overdekningen.

3.3 Vedlikeholdsmetoder

Det finnes flere måter å vedlikeholde stål- og betongkonstruksjoner på. Vi har her valgt å gå kort inn på en av dem.

3.3.1 Katodisk beskyttelse

Katodisk beskyttelse benyttes der armeringen ligger i karbonisert betong eller den

innblandede mengden av klorider er høy. Katodisk beskyttelse fungerer på den måten at det settes en strøm på armeringen som medfører at armeringen blir en katode i den kjemiske prosessen. Da vil en strøm av elektroner flyte gjennom armeringen og motvirke den naturlige korrosjonsprosessen. Det kan her brukes en offeranode i denne prosessen.

Katodisk beskyttelse er en metode som først ble prøvd ut på 90-tallet, og bruer som

Breisundet og Storvalen bru er eksempler på hvor dette nettopp har blitt montert. Felles for de fleste bruene hvor katodisk beskyttelse kan være aktuelt er på de bygget på 70 og 80-tallet hvor krav til overdekning ikke var like strenge som i dag [9].

Figur 27: Avskalling har ført til synlig armering [33]

17

3.4 Andre utfordringer

Med andre utfordringer mener vi de utfordringene som man møter under selve vedlikeholdsprosessen av brua. Her snakker vi om tilkomst og trafikkavvikling.

3.4.1 Tilkomst

Brukonstruksjoner er ofte store, luftige og de står som regel over vann eller elver. Dette gjør ofte vedlikeholdsarbeidet vanskelig ettersom det ikke alltid er like lett å komme til de områdene som trenger vedlikehold. Noen bruer har

innebygd en egen vogn som henger under brubanen for å bøte på dette problemet, men på de aller fleste bruene er dette ikke tilfellet, og en må ofte til med større kjøretøyer. I tillegg til at dette er dyrt og tidkrevende arbeid er det også alltid en fare for personskader ved bruk av store maskiner og arbeid i høyden samtidig som det er trafikk på brua.

3.4.2 Trafikkavvikling

Et grunnleggende konstruksjonskrav i N400 pkt. 1.1.3.1 er at brua skal kunne vedlikeholdes og repareres samtidig som trafikksikkerheten opprettholdes, og krav til framkommelighet opprettholdes. Dette betyr at en ikke kan stenge viktige bruer over en lengre periode, og vedlikeholdsarbeidet må derfor utføres samtidig som det er trafikanter på brua, som igjen kan gi farlige situasjoner. Det er derfor viktig at vi bruker materialer som er bestandig og trenger lite vedlikehold.

3.5 Vurdering av materialer

Dagens regelverk legger til grunn en levetid på 100 år for betongbru. Dette er mulig å oppnå, så lenge man tilpasser brua til de forholdene den står i, og sørger for at den er godt nok

beskyttet mot de påkjenninger den kan bli utsatt for. Det er fortsatt viktig at den inspiseres, og at man følger med på at brua ikke utvikler noen skader underveis i levetiden.

Stål må ofte males med jevne mellomrom, og dette vil medføre en del hindring av trafikken når dette arbeidet må gjøres, i tillegg er de dyrere å vedlikeholde.

Figur 28: Tilkomst kan kreve store maskiner [35]

18 Betong blir ansett som et meget bestandig materiale, og erfaringen etter tiår med brubygging har vist at så lenge den er av riktig kvalitet, og arbeidet er fagmessig riktig utført kan den stå i meget lang tid.

Ut i fra dette vi har kommet fram til at betong det beste materialet å gå for, med tanke på bestandighet og vedlikeholdsomfang.

3.6 Anbefalinger for ny bru

Ved de fleste måtene armeringen kan korrodere på, ser vi at det er inntrengning fra miljøet utenfor som setter prosessen i gang. Den beste måten å motvirke dette på er å sørge for at man har god nok overdekning slik at armeringen ligger mer beskyttet mot ytre påkjenninger. Det er derfor satt krav om 75 mm overdekning i N400. Det er dette vi har benyttet videre. Man bør unngå å bruke kloridholdige masser i betongen da disse vil starte en korrosjonsprosess på armeringen. Ved et så lavt v/c-tall som mulig vil betongen være tettere, og det vil bli vanskeligere for gasser og væsker å trenge eller diffundere inn mot armeringen.

19

4. Laster

Ved brudimensjonering må en vite hvilke laster som vil påvirke brua, og størrelsen disse lastene utgjør. I Håndbok N400 står det presisert hvilke laster som er aktuelle og som særskilt må vurderes i hvert enkelt tilfelle. Under er det listet opp alle aktuelle laster.

Permanente laster

Aktuelt Ikke aktuelt Sees bort fra

Egenlast X

Vanntrykk X

Jordtrykk X

Tabell 1: Permanente laster

Variable laster

Aktuelt Ikke aktuelt Sees bort fra

Midlertidige laster X

Snølast X

Vindlast X

Laster fra bølger og strøm X

Laster fra variabelt vanntrykk X

Laster fra skred X

Islast X

Termiske laster X

Seismiske laster X

Trafikklaster X

Støt og fortøningslaster fra ferje X

Tabell 2: Variable laster

20 Ulykkeslaster

Aktuelt Ikke aktuelt Ses bort fra Påkjørsel fra kjøretøy, skip og tog X

Laster fra fallende gjenstander X

Brann og eksplosjon X

Laster fra skred og flom X

Tabell 3: Ulykkeslaster

4.1 Permanente laster

4.1.1 Egenvekt

Egenlasten er lasten av den permanente konstruksjonen. Under den permanente konstruksjonen inngår betongtverrsnittet, rekkverk, midtdeler og belegning. Her er

tyngdetettheten til betong satt til 25 kN/m³, og egenvekten til rekkverk er i samhandling med Vik Ørsta satt til 60 kg/m [10]. Lasten fra asfalten er ifølge N400 2,5 kN/m² i kjørebanen og tilsvarer en lagtykkelse på 10 cm. Vi trenger likevel bare 7 cm tykkelse, så dette er til sikker side. Egenvekten av overbygning vil da være 28,5 kN/m² som tilsvarer 342,4 kN/løpemeter bru. For detaljerte beregninger se vedlegg A.1.

4.2 Variable laster

4.2.1 Snølast

Snølast vil ikke opptre samtidig som trafikklast på bruer [11]pkt.5.4.2.

Fordi snølasten vil være mindre enn trafikklasten neglisjeres derfor denne lasten i videre beregninger.

4.2.2 Vindlast

Denne lasten beregnes etter Håndbok N400 bruprosjektering samt standarden for vindlast på bruer. Utfyllende beregninger kan ses i vedlegg A.2.

Vindlasten på brukonstruksjoner skal kontrolleres med 50 års returperiode, og bestemmes etter tre vindklasser. Hvilken vindklasse brua tilhører bestemmes av spennvidde og egensvingperiode. Brua er ei platebru, og ligger dermed i vindklasse 1.

21 Vindpåvirkning på bruer danner krefter i horisontalretning, vertikalretning og

vridningsmoment [11]pkt.5.4.3.4 og skal beregnes både med og uten trafikk [11]pkt.5.4.3.3.

Vindlast uten trafikk

Referansevindhastigheten i Bergen finnes i tabell 4 og settes lik 26 m/s. Som forenkling setter vi Cdir, Cseason, Calt og Cprob lik 1,0 som er til sikker side. Basisvindhastigheten vb blir da lik referansevindhastigheten=26 m/s.

Brua ligger i et område oppstykket av hav, boligområder og skogsområder med forskjellig terrengkategorier. Vi har derfor som middelverdi valgt terrengkategori 2 som

tilsvarer landbruksområde eller område med spredt bebyggelse eller trær. Samtidig ligger det en ås på bruas sørlige side. Denne vil ifølge [10] NA.4.3.3(901.4) påvirke

vindkasthastighetstrykket, men på grunn av marginal påvirkning har vi valgt å se bort fra dette.

Vindkrefter i horisontalretning Vindkreftene i horisontalretning regnes ut etter formel qd = qp * cd * h hvor qp = qkast = 0,935 kN/m², cd er en kraftfaktor og h står for

referansehøyden. Vindkaften i x- retning settes her lik qd, mens kraften i lengderetningen er 25%

av denne kraften.

Vindkrefter i vertikalretning

Vindkrefter i vertikalretning regnes ut etter formel qL = qp * cL * b hvor b er bredden av brudekket og cL er en kraftfaktor.

Figur 29: De forskjellige kraftretningene i standarden

Tabell 4: Referansevindhastighet i Bergen [12] tab. NA.4(901.1)

22 Vindkrefter som vridningsmoment

Vindlasten i z-retning har en eksentrisitet på e= (b/4)= 3 m slik at denne lasten skaper et vridningsmoment om skjærsenteret på brua [12]pkt.8.3.3(5).

Vindlast med trafikk

For samtidig beregning av vind og trafikk beregnes vindlasten til å ha den laveste verdien av resultatet av en kastevindhastighet ved kjørebanens høyeste punkt på 35 m/s, evt. resultatet av et vindfelt med returperiode på 50 år.

Vindkasthastighet vp= 35m/s Vb0` = 23,531 m/s Vindfelt med returperiode 50 år Vb0 = 26 m/s

Tabell 5: Vindkasthastighet som brukes videre

Vb0` Vb0  Benytter Vb0` i videre beregninger

Regner så ut en ny qkast på bakgrunn av en redusert vm. Denne kaller vi qp` og har verdien 0,776 kN/m². Samtidig justerer vi på høyden h slik at den simuleres at det er trafikk på brua.

De nye kreftene blir da gitt i tabell 6.

Kraften i Z- retningen beholder fortsatt sin eksentrisitet på e = 3 meter.

Kraft i X-retning Kraft i Y-retning Kraft i Z-retning Vindlast uten trafikk 3,1 kN/m 0,78 kN/m 10,1 kN/m Vindlast med trafikk 3,43 kN/m 0,86 kN/m 8,27 kN/m

Tabell 6: Krefter på brua med og uten trafikk

Kraften i horisontalretning (X og Y) øker grunnet økende areal som følge av trafikken.

Samtidig reduseres kraften i vertikalretningen (Z) som følge av lavere referansevindhastighet.

Velger derfor å bruke kraften i Z-retning uten trafikk også i kombinasjon med trafikk.

4.2.3 Laster fra drivende is

Laster fra drivende is kan være aktuelt dersom Nordåsvannet fryser på vinteren. Søylene står på land, så vi ser bort fra denne lasten.

23

4.2.4 Termiske laster

Forandring i lufttemperatur og solstråling vil kunne gi variasjoner i temperaturfordeling i konstruksjonen, og herav vil tøying og spenning oppstå. Disse lastene kalles termiske laster og skal beregnes etter N400 og standard for termiske laster.

Den termiske påvirkningen til en konstruksjon er sammensatt av virkningene til:

- (a) jevnt fordelt temperaturandel Tu

- (b) lineært varierende temperaturdifferanse i horisontalretning TMY

- (c) lineært varierende temperaturdifferanse i vertikalretning TMZ

Figur 30: Beskrivelse av temperaturandel [13] fig 4.1

Vi har ikke tatt hensyn til horisontale temperaturforskjeller av den grunn at ingen av sidene regnes som mer eksponert mot sollys enn den andre. Dermed står vi igjen med virkningene av jevnt fordelt temperaturandel(a) og vertikal lineært varierende temperaturandel(c), samt de kombinerte virkningene av begge.

Jevnt fordelt temperaturandel

Jevnt fordelt temperaturandel avhenger av den laveste og høyeste temperaturen som kan oppstå i brua. Dette vil føre til at bruas lengde endres, som kan føre til tvangskrefter i fastholdte konstruksjonsdeler og friksjon over glidelagre.

Laveste og høyeste jevnt fordelte brutemperaturandel (Te.min og Te.max) regnes ut og vurderes opp mot initialtemperaturen T0 som er temperaturen i brua på tidspunktet for fastholdning. T0

settes til 10°C [13]pkt.A.1(1).

Den karakteristiske verdien for maksimal temperaturkontraksjon/ekspansjonsintervall regnes ut til verdiene vist i tabell 7. For utfyllende beregninger se vedlegg A.3.

24

TN.exp (ekspansjon) 21C

TN.con (kontraksjon) -22C

Tabell 7: Jevnt fordelt temperaturandel

Vertikalt lineært varierende temperaturandel

Temperaturvariasjoner i vertikalretning i bruplaten vil føre til forskjellig lengdeendring mellom over og undersiden av bruplaten. Dette vil føre til krumning som igjen vil ha innvirkning på moment og nedbøyning.

[13]Tabell NA 6.1 gir verdien på lineært vertikalt varierende temperaturandel for bruer med 50 mm og 100 mm belegning. Brua har 70 mm belegning og følgende verdier regnes ut med interpolering, se tabell 8. Utfyllende beregninger finnes i vedlegg A.3.

TMheat 13,2 grader

TMcool -8 grader

Tabell 8: Vertikalt lineært varierende temperaturandel

Den vertikalt varierende temperaturandelen skal ikke gi noe bidrag til den maksimale ekspansjonen og kontraksjonen, og plasseres slik at T=0 i tverrsnittets tyngdepunkt.

Samtidighet av jevnt fordelt temperaturandel og vertikalt varierende temperaturandel For å ta hensyn til samtidighet av temperaturdifferansen og jevnt fordelt temperaturandel brukes formel gitt i [13]: (6.3) eller (6,4). Her vil formel (6,3) være dimensjonerende fordi vertikal varierende temperaturandel vil gi størst påkjenninger på brua. Resultatet av samtidighet er gitt i tabell 9. Se vedlegg A.3 for beregninger.

X-Retning Z-retning

Ekspansjon 7,35C 13,2C

Kontraksjon -7,7C -8C

Tabell 9: Samtidighet av temperaturandelene

25 Disse temperaturene vil vi senere plotte inn i beregningsprogrammet Robot som vil regne ut ekspansjonen/kontraksjonen og kreftene dette medfører. Vi har valgt å sette -7,7 °C på begge kombinasjonene, fordi dette vil gi strekk i brudekket

Tabell 10: Lastene legges inn som "thermal load" i Robot

4.2.5 Seismiske laster

Seismiske laster oppstår som følge av akselerasjon i grunnen og skal beregnes etter Standard for seismiske laster.

Brua kan dimensjoneres etter de forenklede bestemmelsene som er gjeldende for «lav seismisitet» så lenge kravene [14] NA.3.2.1(4) er oppfylt. På bakgrunn av Grunntype A [14]Tab. NA.3.1 og spissverdier for berggrunnsakselerasjonen [14]Fig. NA.3(901) var disse kravene oppfylt, og det var dermed jf. [14]NA.2(904) ingen krav om påvisning av

tilstrekkelig sikkerhet mot seismiske laster. Se beregninger i vedlegg A.4.

26

4.2.6 Trafikklaster

Trafikklaster beregnes etter standard for trafikklast på bruer samt Håndbok N400.

Lastmodellene presentert i standarden er ment å dekke alle overskuelige lastsituasjoner som kan oppstå på en veibro. Utfyllende beregninger kan ses i vedlegg A.5.

Vertikale laster

Vegbanen skal deles inn i hypotetiske kjørefiler à 3 meter på bakgrunn av avstanden mellom skulderkant eller autovern [15]pkt.4.2.3. Denne avstanden er 7,5 meter, som medfører at vi får n=

(7,5/3)=2,5  2 kjørefiler. Disse

kjørefilene skal gis nummer etter hva som gir en mest mulig ugunstig lastsituasjon

[15]pkt. 4.2.4. I dette tilfellet har vi valgt å kalle den mest eksentriske kjørefilen for «kjørefil 1» fordi dette vil virke mest ugunstig på momentet om x-retning, som vist i figur 31.

Lastmodell 1 [15]pkt.4.3.2

Denne lastmodellen består av to del-systemer som virker sammen, og er ment å dekke lastbildet til den daglige trafikken, samt belastningen av køer med en høy prosentandel av tunge lastebiler.

- Tandem system (TS) [15]pkt.4.3.2(a)

Denne lasten består av en dobbel aksellast der lasten pr aksel fordeles likt på begge hjulene som har en flate på 0,4*0,4 meter.

Et slikt tandem system plasseres i hver kjørefil og kan flyttes innenfor denne kjørefilen og ikke nærmere enn 0,5 meter fra et annet tandem system. Dette gjøres for å skape det mest ugunstige lasttilfellet på bua.

Figur 31: Skissering av kjørebaneinndeling

Figur 32: Lastplassering av Tandem system

27 - Uniformly distributed loads (Jevnt fordelt last) [15]pkt.4.3.2(b)

Dette er en last som plasseres jevnt fordelt i alle kjørefilene og på det resterende arealet.

Langs bruas lengderetning skal lasten plasseres der den gir mest ugunstige virkninger.

Størrelsen på lastene varierer mellom de to kjørefilene.

Lastene i de forskjellige feltene er gitt i tabell 11.

Se vedlegg A.5 for utfyllende beregninger.

Aksellast (kN) Jevnt fordelt last (kN/m²)

Kjørefil 1 300 5,4

Kjørefil 2 200 2,5

Resterende areal 0 2,5

Tabell 11: Aksellast og jevnt fordelt last i de forskjellige arealene

Lastmodell 2

For å dekke den dynamiske effekten på korte konstruksjonsdeler forårsaket av normal trafikk benyttes lastmodell 2 som er en enkel aksellast på 400 kN som kan plasseres på et valgfritt sted over hele kjørebanen. Hele lasten fordeles på to hjul med flate på 0,35*0,6 meter evt benyttes bare en hjulflate og 200 kN om dette er relevant.

Lastmodell 3

Denne lastmodellen omfatter lastbilder formet av spesialkjøretøyer på brua, og skal vurderes i det enkelte prosjektet dersom dette er relevant [15]pkt.4.3.4(1).

Vi har vurdert at dette ikke vil være tilfellet her og tas dermed ikke med i videre beregning.

Lastmodell 4

Lastmodell 4 er ment å dekke lastbildet av en folkemengde på bua og skal vurderes i det enkelte prosjektet. Lastmodellen består i å sette en jevnt fordelt last på 5kN/m² over de delene av brua der dette er relevant.

Grunnet bruas bynære beliggenhet har vi valgt å ta denne lastmodellen med i den videre beregningen.

Figur 33: Visualisering av lastmodell 2 [15] fig.4.3

28 Horisontale laster

Bremse og akselrasjonskrefter [15]pkt4.4.1

Disse kreftene virker i bruas lengderetning og regnes like store, men motsatt rettet, og skal beregnes ut fra de maksimale vertikale kreftene funnet i Lastmodell 1.

Lasten beregnes til Q1k= ±457,2 kN, og utfyllende beregninger kan ses i vedlegg A.5.

Sentrifugale eller andre tverrgående krefter [15]pkt.4.4.2

Brua har en rett kjørebane, men vi må likevel ta hensyn til krefter fra sentrifugalkraft som følge av bremsing og sladding. Disse kreftene settes lik 25 % av bremse- og

akselrasjonskreftene og regnes å virke samtidig som dem.

𝑄𝑡𝑟𝑘 = 0,25 ∗ 457,2 𝑘𝑁 = 114,3 𝑘𝑁.

4.3 Ulykkeslaster

4.3.1 Ulykker forårsaket av kjøretøy, skip eller tog Kjøretøy

Påkjøringslaster mot bærende konstruksjoner som søyler og overbygning beregnes etter Standard for ulykkeslaster samt trafikklaster på bruer og skal kontrollers dersom dette er aktuelt [11]pkt. 5.6.2.

I dette tilfellet vil det ikke være relevant og vi har dermed valgt å bare se på påkjørsel av rekkverk og kantdrager.

Påkjørsel av rekkverket

Etter håndbok V161 brurekkverk pkt. 2.2 skal det velges et rekkverk med styrkeklasse H2.

Etter pkt. 4.7.3.3(1) skal det da velges klasse A  horisontal kraft = 100kN som virker på tvers 100 mm under toppen av valgt kjøretøyrekkverk eller 1 m over nivå på kjørebane avhengig av laveste verdi, over en lengde på 0,5 m.

Vertikal last som følge av dette blir da 0,75*αQ1Q1k

0,75 ∗ 1,0 ∗ 489,6 = 367,2 𝑘𝑁

Påkjøringslasten regnes ikke å opptre samtidig med variable laster, unntatt ved avhengighet mellom påkjøringslasten og den variable lasten

29 Skip

Ulykkeslaster forårsaket av skip regnes etter N400 samt ulykkeslaststandarden [16].

For bruer i sjø skal det, også i områder der det ikke forventes skipstrafikk, regnes støt fra lystbåter, fiskebåter og lignende. Det skal regnes støtkraft ikke mindre enn 1MN (1000kN) i vilkårlig retning på søyle, og en støtkraft mot bruoverbygningen ikke mindre enn 0,1MN [16]NA.4.6.3(1)

4.3.2 Laster fra skred og flom Skred

Risiko for skred skal vurderes ved hvert enkelt brusted. [16]pkt. 5.6.6.1. Dette vurderes som urelevant for dette brustedet og sees dermed bort fra.

Flom

Kravene til flom bestemmes etter [16]pkt. 4.2.4 og sier at fri høyde fra vannstand til overbygning skal være minst 0,5 meter ved 200 års flom.

Høyeste vannstand over NN2000 regnes som 206 cm ved 200 års returperiode [17].

Ettersom dette er en tidevannsstrøm, og brua vil stå mer enn 10 meter over høyeste vannstand vil dette ikke få noen innvirkning og kan derfor neglisjeres.

30

4.4 Lastkombinasjoner

Kombinasjoner og faktorer er basert på NS-EN-1990. For å finne faktorene har vi brukt tab.

A2.1, som er et tillegg for bruer. Lastkombinasjonene i bruddgrense har vi tatt ut fra tab. A2.4 lign. 6.10a og 6.10b. Siden egenvekten av tverrsnittet er stor i forhold til de andre lastene, vil det være lign. 6.10a som blir dimensjonerende for påkjenninger i vertikal retning. I

horisontale retninger vil det være lign.6.10b som vil være dimensjonerende siden det kun er nyttelastene som gir krefter i disse retningene.

I bruksgrense har vi kombinert etter tab. A2.6 i standarden for å finne faktorene for karakteristisk-, ofte forekommende- og tilnærmet permanente laster. Disse trenger vi for å beregne nedbøyning og riss.

Ulykkeslaster er dimensjonert etter tab. A2.5.

Vi har kombinert alle forskjellige lastvarianter avhengig av ulike dominerende lasttilfeller, og satt disse opp i et Excel-ark, se vedlegg B.1-B.5. Her ligger kun lastfaktorene inne, og vi må kombinere disse med sine respektive laster. Dette gjøres i Robot ved hjelp av funksjonen

«manual combinations». Vi legger kombinasjonene inn manuelt siden vi ikke er sikre på hvordan Robot opererer når programmet skal kombinere lastene på egenhånd. På denne måten vet vi bedre hvordan lastene kombineres. Totalt kom vi fram til 36 relevante kombinasjoner som vi måtte sjekke.

Lastmodell gr1a ble den dimensjonerende kombinasjonen i bruddgrense for både vertikale og horisontale laster, tabell 12.

Tabell 12: Dimensjonerende lastkombinasjon i bruddgrense

31

5.

Plate- kontra Bjelkeberegninger

Et dekke er en konstruksjonsdel der minste sidekant (b) ikke er mindre enn fem ganger dekketykkelsen (H) [18] pkt.5.3.1(4).

𝑏 > 5 ∗ 𝐻 H= 1 200 mm b = 8 000mm

𝐻 ∗ 5 = 1200 ∗ 5 = 6000 𝑚𝑚

Etter standarden skal brua regnes som et dekke siden brua har bredde (b) på 8000mm Den todimensjonale bærevirkningen fører i mange tilfeller til komplisert regning, spesielt ved konsentrerte belastninger. Her vil det også være en forskjell på hvordan kreftene med eksentrisitet sprer seg i et dekke, kontra det å legge inn eksentriske laster langs en bjelke. I bjelkemodellen vil man få et torsjonsmoment, noe som ikke er tilfellet i en plate, hvor kreftene vil fordeles som et moment i X- og Y-planet.

Figur 34: Tverrsnittsutforming av dekke [3] fig.4.3.2-3

32

6. Utforming av bru:

I samråd med SVV kom vi innledningsvis frem til at brua over Nordåsstraumen skulle ha tre spenn.

- Ved to spenn vil spennlengden kunne bli for stor. Det vil også kunne oppstå problemer med at søylen på midten må plasseres i seilingsløpet.

- Ved fire spenn vil spennlengden bli mindre og brubanen kunne gjøres slankere. Men problem med søyleplassering i seilingsløpet er en begrensende faktor, også her.

- For tre spenn, vil det ikke være behov for søyler midt i sundet. Vi vil også få muligheten til å se hvordan en slakkarmert overbygning oppfører seg over lengre spenn.

Veiens linjeføring:

Veiens linjeføring har vært et problem ved den tidligere brua. Ved dimensjonering av ny bru har det vært fokus på å gjøre veien rettere og mer oversiktlig.

SVV sitt forslag om krysningspunkt ble av oss vurdert som et godt alternativ. Det tar både hensyn til veiens linjeføring, samtidig som spennlengdene ikke blir for store. Ved hjelp av en kartfil fra SVV kunne vi utføre målinger av sundkrysningen. Brua ble målt til 80m fra start til slutt. Ved å plassere de to søylene på land, forstyrrer de ikke båttrafikken. Det gjør samtidig at det ikke er behov for å lage fundamenter under vann. Spennlengden og søylehøyden ble målt i kartfilen i figur 35 og 36.

Figur 35: Brua sett ovenfra. Målt i mm

33 Brua har en lengde på 80m og en høydeforskjell fra start til slutt på 3,5m. Dette gir en

stigning på ca. 4%, se figur 36.

Figur 36: Oppriss sett fra vest

For å anslå tverrsnittsutforming benyttet vi oss av Håndbok N100 kapittel 4

«plassproduserte platebruer». Ved hjelp av figur 37 og 38. Kunne vi finne utforming og platetykkelse.

Figur 37: Mal for plateutforming. N100 kap 4.5

Figur 38: Platetykkelse trespenns bru. N100 kap. 4.5

34 Grafen i figur 38 viser en anbefalt platetykkelse basert på lengden av midtspennet. Den

stopper ved en spennlengde på 20 meter, mens midtspennet vårt er på 32 meter. Det ble antatt at tabellen fortsetter lineært, og følger da formelen:

𝑓(𝑥) = 25 ∗ (𝑥) + 250 𝑓(32) = 25 ∗ 32 + 250 = 1050𝑚𝑚

Håndbok N100 kap. 4 er basert på en eldre versjon av betongstandarden, og er derfor foreldet.

Etter råd fra veileder ble tverrsnittstykkelsen økt med 10% for å kompensere for endringer i betongstandarden fra 2008.

𝑃𝑙𝑎𝑡𝑒𝑡𝑦𝑘𝑘𝑒𝑙𝑠𝑒: 1050𝑚𝑚 + 10% = 1155𝑚𝑚 ≈ 1200𝑚𝑚

Breddemål på veien, samt antall kjørebaner og gangfelt er hentet fra et forslag om utforming vi fikk fra SVV. Bruplaten er laget med 2% tverrfall, for avrenning av vann. Utforming vises i figur 39.

Figur 39: Tverrsnittsutforming av brua