Gang-/sykkel-/vegbru
Structure analysis of foot-/roadbridge
Byggingeniør Institutt for byggfag
Avdeling for ingeniør- og økonomifag
Heidi Breivik Tine Marie Nordahl
Tomas Richard Lyngmo Seppälä
Bergen, 23.05.18
i
Forord
Denne rapporten utgjør sluttproduktet av bacheloroppgaven utført våren 2018. Oppgaven ble gjennomført siste studieår som del av bachelorgrad for bygg- og anleggsingeniør, og utgjør 20 studiepoeng. To av gruppemedlemmene har gått studieretningen konstruksjonsteknikk, og en har gått studieretning prosjekt- og byggeledelse med fordypning innen konstruksjonsteknikk.
For å besvare oppgaven har vi tatt i bruk kunnskap vi har tilegnet oss tidligere i studiet. I tillegg har vi tilegnet oss ny kunnskap rettet spesifikt mot oppgaveløsningen. Dimensjonering av bru er ikke dekket i studieprogrammet, så her har vi lært mye nytt.
Vi tok kontakt med bruseksjonen hos Statens vegvesen da vi ønsket en utfordrende
bacheloroppgave innen et tema som interesserer oss. Oppgaven er utformet i samarbeid med Statens vegvesen.
Vi vil takke Stian Persson og John Olav Blindheim ved Statens vegvesen for muligheten til å skrive en spennende oppgave og for god oppfølging underveis. Videre takker vi vår dyktige interne veileder ved Høgskulen på Vestlandet, Jan Bernt Husebø,
Vi takker til slutt hverandre for godt samarbeid og en minnerik avslutning på bachelorgraden.
Høgskulen på vestlandet, Bergen, 23. mai 2018
_______________________________
Tomas Richard Lyngmo Seppälä
_______________________________
Tine Marie Nordahl
_______________________________
Heidi Breivik
ii
Sammendrag
Formålet med denne oppgaven har vært å sammenligne to forskjellige brutyper. Den ene bruen er en gang -/sykkelbru som er oppført på stedet og den andre er en vegbru som er tiltenkt plassert på samme sted. Dette er gjort for å undersøke om en gang-/sykkelbru kan dimensjoneres som vegbru i utgangspunktet, for å kunne bruke bruen til omkjøring. Det er snakk om den “samme bruen”, men med to ulike hensikter.
Den eksisterende gang-/sykkelbruen er allerede dimensjonert, men etter gammel standard. For å ha et godt sammenligningsgrunnlag er den i oppgaven dimensjonert på nytt ved bruk av ny standard. Lastberegninger er utført for begge bruene siden det tiltenkte formålet med bruene er forskjellig. Den eksisterende bruen skal kun ta fotgjengere, syklister og servicekjøretøy, mens vegbruen også skal kunne ta motorisert trafikk i begrensede perioder.
Det er presentert en generell del om bruer og materialer, før utfyllende beregninger er
foretatt. Ulike lastkombinasjoner er kontrollert for å finne dimensjonerende lastkombinasjon.
Ved hjelp av beregningsprogrammet Robot, er indre krefter funnet. Disse er brukt videre for å kunne verifisere bruens kapasitet. Det er foretatt håndberegninger for å kontrollere at
programmet opptrer som det skal. På grunnlag av disse resultatene er bruen blitt dimensjonert.
Sammenligninger mellom de to bruene er foretatt, både for beregnede laster og
materialmengder. Vegbruen har større dimensjoner noe som resulterer i betydelig større materialforbruk. Grunnet begrenset tid og informasjon til rådighet har det ikke vært mulig å gjøre en økonomisk sammenligning av de to bruene. Vi har derfor begrunnet vår konklusjon på grunnlag av materialbruk og praktisk anvendelse av bruene.
Det konkluderes med at det er mulig å dimensjonere en gang -/ sykkelbru for å kunne ta motorisert trafikk for å gi nærliggende bebyggelse en alternativ rute. Materialbruken vil være høyere, men bruen blir mer allsidig. Fremfor å konstruere en gang-/sykkelbru og en
midlertidig bru ved behov antas det at det er mer hensiktsmessig å konstruere en vegbru for å dekke begge behovene.
Videre bør resultatene sammenlignes med oppføring av midlertidig bru for å se hva som gir det mest økonomiske alternativet.
iii
Abstract
The purpose of this task has been to compare two different types of bridges. One being a footbridge that are already listed on the spot and the other is a roadbridge intended for the same location. This is done to investigate whether a footbridge can be designed as a
roadbridge initially, in order to use the bridge as an alternative route for motoriced trafic. The bridges are intentialy the same, but they serve two different purposes.
The existing footbridge is already designed, but by outdated standards. To get a good basis for comparison, the footbridge is re-designed using the new standards. Calculations of loads are performed for both bridges since the intended purpose of the bridges are different. The existing bridge should only take pedestrians, cyclists and service vehicles, while the roadbridge should also be able to take motorized traffic for limited periods of time.
General information about bridges and materials are provided, before further calculations are made. Various load combinations are checked to find the dimensional load combination.
Using the analysis program Robot, inner forces are determined. These are used to verify the capacity of the bridge. Calculations by hand has also been made to check that the program behaves as it should. Based on these results, the bridge has been designed.
Comparisons between the two bridges have been made, both for calculated loads and material quantities. The roadbridge has larger dimensions, which results in significantly greater
material consumption. Due to limited time and information, it has not been possible to make an economic comparison between the two bridges. We have therefore justified our conclusion on the basis of material use and practical use of the bridges.
It is concluded that it is possible to design footbridges to enable motorized traffic to relieve nearby traffic. Material usage will be higher, but the bridge becomes more versatile. Instead of constructing a footbridge and a temporary bridge, it is assumed that it is more appropriate to construct a roadbridge to meet both needs.
Furthermore, the results should be compared to the listing of a temporary bridge to see what provides the most economical option.
iv Innhold
Forord ... i
Sammendrag ...ii
Abstract ... iii
Figurliste ... vi
Kapittel 1. Innledning ... 1
Problemstilling ... 2
Avgrensning av oppgaven: ... 2
Framgangsmåte ... 3
Metode ... 4
Brugeometri ... 5
Eksisterende bru ... 5
Vegbru ... 6
Statisk system ... 7
Kapittel 2. Bruer og materialer ... 7
Generelt om bruer ... 7
Gang - og sykkelbru ... 9
Bjelkebru ... 9
Platebru ... 10
Materialer: ... 10
Betong ... 10
Armering ... 12
Overdekning ... 13
Kapittel 3. Laster ... 13
Generelt om laster ... 13
Permanente laster ... 16
Egenlast ... 16
Vanntrykk og jordtrykk ... 17
Variable laster... 18
Trafikklaster ... 18
Naturlast ... 21
Snølast ... 21
Termisk last ... 21
Vindlast ... 23
Islast ... 28
Deformasjonslaster: ... 28
v
Kryp ... 28
Svinn:... 29
Setninger ... 29
Lagerfriksjon ... 29
Ulykkeslaster ... 30
Påkjørsel fra kjøretøy under bruen ... 30
Seismiske laster ... 31
Skred ... 32
Flom ... 32
Brann ... 33
Kapittel 4. Dimensjonering ... 33
Bruksgrensetilstand ... 33
Bruddgrensetilstand ... 34
Ulykkesgrensestilstand ... 34
Effektiv flensbredde ... 34
Indre krefter ... 35
Momentkapasitet: ... 35
Armering ... 37
Skjærarmering ... 38
Konstruksjonsdeler uten beregningsmessig behov for skjærarmering ... 38
Behov for skjærarmering ... 39
Plassering av skjærarmering ... 40
Skjærarmering ... 40
Lastkombinasjoner ... 41
Eksisterende bru ... 41
Ny bru ... 42
Aksesystem ... 43
Kapittel 5. ROBOT... 43
Nedbøyning ... 44
Kapittel 6. Verifikasjoner ... 45
Kontroll nedbøyning og moment... 45
Rissviddekontroll: ... 46
Kapittel 7. Sammenligning ... 47
Brudimensjoner ... 48
Egenvekt ... 49
Kryp og svinn ... 49
vi Trafikklast ... Feil! Bokmerke er ikke definert.
Riss ... 50
Nedbøyning ... 50
Overdekning ... 51
Rekkverk ... 51
Ulykkeslaster ... 51
Vind ... 51
Kapittel 8. Konklusjon ... 52
Kapittel 9. Feilkilder ... 1
Kapittel 10. Forslag til videre arbeid ... 1
Referanser ... 2
Figurliste
Figur 1: Norsk Standard. Grunnlag for prosjektering av konstruksjoner. [17] ... 3Figur 2: Håndbok N400 [18] ... 4
Figur 3: Oppriss av bruen hentet fra vedlegg V.A.1 ... 5
Figur 4: Tverrsnitt av overbygning eksisterende bru. Hentet fra vedlegg V.A.1. ... 6
Figur 5: Vegbredde for vegtype A1. Figur C.21 i [6]... 7
Figur 6: Tverrsnitt overbygning vegbru. Egenredigert tegning fra vedlegg V.A.1. ... 7
Figur 7: Danyang - Kunshan Grand Bridge [9]. ... 8
Figur 8 Bjelkebru. Figur 4.3.3-1 [10]. ... 9
Figur 9: Platebru. Figur 4.3.2-1 [10]: ... 10
Figur 10 Betong med armering[13]. ... 11
Figur 11 Spenning- tøyningsdiagram. Figur 3.3 [13] ... 11
Figur 12 Lasttabell... 15
Figur 13 Plassering av trafikklast på bru [24]. ... 19
Figur 14: Vegbane og skulder på brudekket. Egen tegning. ... 20
Figur 15 Virkning fra termisk last. [27] ... 22
Figur 16 Aksesystem tverrsnitt påvirket av vind. Påtegnet vindretning på tegning fra standard [28]. . 24
Figur 17 Referansevindhastighet. Utdrag fra Tabell NA.4 (901.1) [28] ... 24
Figur 18 Referansehøyder for vindlast [28]. ... 26
Figur 19 Virkning av kryp etter belastningstidspunk [13]. ... 28
Figur 20 Flom- og skredsonekart [7]. ... 32
Figur 21 Effektiv bredde [13]. ... 34
Figur 22 Spenn for beregning av effektiv bredde [13]. ... 35
Figur 23 Moment eksisterende bru i bruddgrense. Hentet fra Robot. ... 42
Figur 24 Moment vegbru i bruddgrense. Hentet fra Robot ... 42
Figur 25 Oversikt nedbøyning ... 45
Figur 26 Kontroll nedbøyning og moment ... 45
Figur 27 Sammenligning brudimensjoner ... 48
Figur 28 Sammenligning volum ... 49
Figur 29 Sammenligning egenlast ... 49
vii Figur 30 Kryptall ... 50 Figur 31 Svinn ... 50 Figur 32 Lastsammenligning ... 51
1
Kapittel 1. Innledning
Bruløsningene vi skal se på befinner seg sør-vest for laguneparken hvor den krysser over Fanavegen og en kommunal veg. Den eksisterende bruen som står der nå er en 25,5 m lang gang-/sykkelbru over en søyle plassert mellom de to vegene under. Den nye vegbruen er tiltenkt plassert på samme sted som den eksisterende bruen.
Figur 1: Eksisterende gang-/sykkelbru. Foto: Google Maps
Dersom en veg eller vegbru er midlertidig ute av drift grunnet renovering eller dersom det har oppstått en ulykke, kan det være nødvendig med en alternativ kjørerute. En løsning kan være å sette opp en midlertidig bru til situasjonen har løst seg. Oppføring av en midlertidig bru vil medføre store kostnader. Det er derfor ønskelig å se på muligheten for å dimensjonere en gang-/sykkelbru slik at den kan benyttes til omkjøring, og se om det er en kostnadseffektiv løsning. Dimensjoneres bruen som vegbru i utgangspunktet, tilrettelegges det for behov som kan oppstå i fremtiden.
Materialmengder og kostnader kan sammenlignes ved å dimensjoner en vegbru og en gang- /sykkelbru på samme plassering med samme lengde. I oppgaven tas det utgangspunkt i en gang-/sykkelbru som allerede eksisterer, videre referert til som eksisterende bru. Det foreligger ingen planer om å bygge ut den eksisterende bruen for å ta laster som virker på vegbru, og oppgaven er da hypotetisk. Den alternative vegbruen blir videre referert til som vegbru.
Eksisterende bru er en gang-/sykkelbru og ble bygget i 2007. Den ble dimensjonert ut i fra gammel laststandard [1].Ved dimensjonering av vegbru gjøres dette etter dagens standard.
2 Dagens dimensjoneringskrav er noe strengere. I oppgaven vurderes det som hensiktsmessig å beregne lastene på eksisterende bru etter dagens standard, da dette vil gi et bedre
sammenligningsgrunnlag.
Problemstilling
Er det hensiktsmessig å dimensjonere en gang-/sykkelbru slik at den kan benyttes til omkjøring for motorisert trafikk fra nærliggende bebyggelse? Dette med hensyn på materialbruk, laster og nytteverdi.
Avgrensning av oppgaven:
I oppgaven foretas det avgrensninger og forenklinger for å tilpasse omfanget av oppgaven til den arbeidstiden som er til rådighet. I en reel situasjon der bruen som prosjekteres skal
utføres, må disse avgrensningene tas med i beregningene. Forenklet ses bruen på som rett uten at det tas hensyn til krumning av brukonstruksjonen. Forenklingen vurderes til å ha liten innvirkning på resultatene både på eksisterende bru og vegbru.
Før arbeidet med oppgaven ble påbegynt var det forutsatt at data for eksisterende bru kunne oppsøkes fra prosjekterende. Dette lot seg ikke gjøre. Arbeidsomfanget rundt det å regne på to bruer gjør at sammenligning av bruene blir noe forenklet, basert på materialmengder. For fullstendig kostnadsberegning må flere faktorer tas hensyn til, men utover materialmengder ses ikke dette på i oppgaven. En sammenligning av kostnadsdifferansen mellom resultatene i denne oppgaven og bruk av midlertidig bru blir ikke gjennomført.
Beregningsmessig ses det kun på laster som virker på ferdig konstruksjon. Det ses dermed bort fra laster som opptrer i byggeperioden, samt andre midlertidige laster. I oppgaven ses det ikke på underbygningen, som søyler og landkar. Global likevekt inngår ikke vurderingen da dette dokumenteres ved beregning av underbygning. Ettersom begge bruene er utformet med kun ett kjørefelt er alle trafikklaster plassert tilnærmet sentrisk på bruen. Det er ikke beregnet torsjon eller lastkombinasjon for ulykkesgrensetilstand da de antas å være små. Rekkverks- og belegningslast er forenklet lagt inn i Robot som en jevnt fordelt last sammen med egenvekten av bruen. Det velges å se vekk fra gjennomlokking.
3 Noen kontrollberegninger i standarden, eksempelvis innen vindlast, er rettet mot avanserte bruer med store spennlengder. Bruen her anses som relativt kort, med spennlengder på 11.84m og 14.46m. De mest avanserte lastberegningene kan derfor ses bort i fra.
Framgangsmåte
Dokumentasjon av valg gjøres i samsvar med gjeldende regler. Regelverket som benyttes i oppgaven er Norsk Standard med Statens Vegvesen sine egne håndbøker som supplement.
Håndbøkene tar utgangspunkt i standardene, men stiller noe høyere krav. I tillegg har
beregninger fulgt studielitteratur i form av formelsamlinger, forelesningsnotater og forslag fra veileder.
Norsk Standard sikrer standardisering og sørger for at samme regler gjelder for alle innen et fagområde, og at det kan forventes samme resultat.
Tidligere var det nasjonale standarder som var gjeldende. Felles europeiske regler har vært under utvikling. Dette for å kunne benytte seg av materialer og konsulenter med mer over
landegrensene. I dag benyttes felleseuropeiske standarder, kalt Eurokoder, med nasjonale tilleggsbestemmelser. De nasjonale tilleggene er tilpasset norskt miljø, eller gir strengere krav. For prosjektering av konstruksjoner oppført i Norge er det et krav at de nasjonale tilleggene skal benyttes. Innen
konstruksjonsteknikk finnes det et stort antall standarder. De tar for seg alt fra materialer og prosjektering til utførelse og
verifikasjoner forlag: innen konstruksjonsteknikk benyttes standarder som tar for seg material og prosjektering til utførelse. Standarden gir minstekrav som skal følges for å kunne
dokumentere kapasitet og sikkerhet. [2] [3]
Figur 1: Norsk Standard. Grunnlag for prosjektering av konstruksjoner.
[17]
4 Statens vegvesen har utarbeidet egne håndbøker med krav til utforming. Håndbøkene er utformet som normaler,
retningslinjer eller veiledninger. Normalene har hjemmel i norsk lov, retningslinjene har hjemmel i lovverk eller Vegdirektørens instrukser, og veiledningene understøtter de øvrige håndbøkene. Det som står i normalene og retningslinjene er krav som skal følges. Veiledningene er håndbøker som går nærmere inn på temaene i normalene og retningslinjene, og bidrar til en bedre forståelse av hvordan disse brukes.
Håndbøkene deles inn etter hovedtema. N400 Bruprosjektering er hovedsakelig den håndboken som brukes ved prosjekteres en bru. [4]
Rapporten skrives og bearbeides i Google Dokumenter, et delbart skriveprogram på nett som muliggjør det å arbeide i dokumentet samtidig. Ferdigstilling av oppgaven gjøres i Microsoft Word.
Beregninger utføres i PTC Mathcad Prime 4.0 (Mathcad). Mathcad benyttes for å foreta matematiske utregninger, og enkelt å dele beregningene med andre. Ved å definere variabler i ligninger, vil beregningene automatisk oppdatere seg ved endring av variabelen. Unngås å foreta beregningen på nytt. Programmet er brukervennlig og gir mulighet til å fremstille beregningene på en oversiktlig måte. Alle utregninger i Mathcad ligger som vedlegg til oppgaven.
Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2018 (Robot) benyttes for å beregne opptredende krefter i ulike grensetilstander, deformasjoner og dimensjonerende
lastkombinasjoner på bruen. Hvordan Robot benyttes i oppgaven kan leses mer om i kapittel 6.
Metode
I oppgaven brukes emner fra vitenskapelig arbeidsmetode [5]. Ved hjelp av standarder og Statens vegvesen sine håndbøker som regelverk utføres beregninger med grunnlag i konstruksjonslære og statikk.
Figur 2: Håndbok N400 [18]
5
Brugeometri Eksisterende bru
Data for eksisterende bru er hentet fra “Ferdigbrutegning”, vedlegg V.A.1, og vedlegg V.A.2
“oversiktsrapport Rådal”. Tegningen er utlevert av Statens vegvesen.
Bruen er en massiv bjelke-platebru i slakkarmert betong, med vinger. Den totale lengden på 25,54 m er fordelt på 2 spenn, henholdsvis 14,46m og 11,84m. Brukonstruksjonen er utformet med en krumning i lengderetning. Forenklet ses krumningen bort ifra, og bruen anses i beregningene som rett.
Figur 3: Oppriss av bruen hentet fra vedlegg V.A.1
Bruens ytre dimensjoner som bredder og høyder er fastsatt. Disse benyttes i lastberegningene.
Figur 5 viser tverrsnittet av eksisterende bru, fra vedlegg V.A.1. [6] stadfester i punkt E.9 at separat bru for gang-/sykkeltrafikk skal ha fri bredde mellom rekkverkene på minimum 3 m.
Total bredde for bruen er på 3,74m, og inkluderer rekkverkskanter. Brubanen har et tverrfall på 2.5% for å sikre avrenning, men er ellers symmetrisk. Dette vil gi færre lastkombinasjoner enn et usymmetrisk tverrsnitt, og en enklere kontroll.
6
Figur 4: Tverrsnitt av overbygning eksisterende bru. Hentet fra vedlegg V.A.1.
Det går to veger under bruen. Den ene er riksveg 546, Fanavegen, som har en fri høyde på minimum 4,8m. Den andre vegen er en kommunal veg til Rådal Nord, og har en fri høyde på minimum 4,7m. Med fri høyde menes klaringshøyden fra overflaten av vegbanen under bruen til undersiden av bruelementet.
Vegbru
Ved dimensjonering av vegbru vil lengden være den samme som for eksisterende bru,
ettersom plasseringen er den samme. I likhet med eksisterende bru regnes vegbruen forenklet som rett. Bruen er tiltenkt å benyttes til trafikk ved behov for omkjøring, og trafikk
forekommer derfor kun i en begrenset periode. Behovet for flere kjørefelt vurderes som lite, og det blir valgt å kun dimensjonere brua for ett kjørefelt. For at gående og syklende skal kunne ferdes trygt og slik at trafikken kan gå i begge retninger, vil bruen bli regulert med lys,
Krav til bredden på vegbru er strengere enn for gang-/sykkelbru. Tverrprofil bestemmes etter håndbok [6] basert på årsdøgntrafikk, ÅDT. ÅDT er gjennomsnittlig mengde trafikk per døgn på gjeldende sted. Ettersom den eksisterende bruen på stedet er en gang-/sykkelbru eksisterer ikke ÅDT for bruen. Det antas at bruen fortrinnsvis blir benyttet til omkjøring av beboere i nærområdet. Antall boenheter i nærområdet er i dag på 68 ifølge kart fra NVE [7].Det antas at antallet vil øke noe fremover grunnet utbygging. Basert på tallene velges
dimensjoneringsklasse fra tabell C.1 og C.2 [6].For en adkomstveg med fartsgrense satt til 30km/t, velges vegtype A1. Vegtypen gir et tverrprofil med en kjørebane på 4m, og med 0,5m
7 vegskulder på hver side.
Figur 5: Vegbredde for vegtype A1. Figur C.21 i [6]
Øvrige dimensjoner av høyde og bredde i underkant av bruen er beregnet etter forholdstall mellom eksisterende bru og vegbru.
Fri høyde under bruen settes til 6.0m for å unngå fare for påkjørsel. Utdypet nærmere under ulykkeslast.
Figur 6: Tverrsnitt overbygning vegbru. Egenredigert tegning fra vedlegg V.A.1.
Statisk system
Bruen regnes som en rett kontinuerlig bjelke over to spenn. Forenklet regnes bjelken som fritt opplagt på topp av søylene, med glidelager i endene og leddlager over søylen i midt.
Forenklingen har liten innvirkning på resultatene ettersom beregning av søyler neglisjeres i oppgaven.
Kapittel 2. Bruer og materialer
Generelt om bruer
Ved fysiske hindringer som elver eller veger kan det benyttes bruer for å krysse hindringen.
Bru over veg fremfor kryssløsninger kan velges for å bedre flyten i trafikken og øke
8 trafikksikkerheten. Hva som betegnes for bru varierer fra land til land. I Norge blir
konstruksjoner med større spennvidde enn 2,5 meter definert som en bru. Statens vegvesen er ansvarlig for vedlikehold av bruene og forvalter mer enn 18 000 bruer i Norge, kap. 1 [8].
Bruer klassifiseres etter bruksområde, bæresystem og byggemetode.
Figur 7: Danyang - Kunshan Grand Bridge [9].
Betong og stål er de mest brukte materialene i brukonstruksjoner. Disse materialene blir utdypet senere i teksten.
Ved kortere spennvidder enn 500 meter benyttes hovedsakelig betong. Er spennvidden lenger benyttes stål. Bruer blir delt inn i underbygning og overbygning. Overbygningen er
bæresystemet over lagernivå, og underbygningen er bæresystemet under lagernivå.
Underbygning omfatter blant annet søyler, landkar, pilarer og forankring. Overbygning består av eksempelvis brukasse og tårn.
Landskapet sin utforming påvirker bruens fasong. Eksempelvis vil variasjoner i terrenghøyder medføre at bruen får helning fra den ene til den andre siden. Ved utarbeidelse av
brukonstruksjoner skal det estetiske vektlegges sammen med det tekniske og økonomiske.
Tidligere prioriterte man kun økonomiske og tekniske behov. I fremtidige brukonstruksjoner skal man legge mer vekt på estetiske verdier som samsvarer med landskapet og omgivelsene bruen er bygget i. Valg av overflater og materialbruk bidrar til et helhetlig inntrykk av bruen i omgivelsene, sett fra avstand og på nært hold. Et godt helhetsinntrykk av bruen bidrar til å forsvare eventuelle økte kostnader. Å integrere det etiske allerede i startfasen bidrar til å holde kostnadene nede. Vegvesenet anbefaler at den største andelen av brutyper forblir platebru, da
9 dette er det mest økonomiske alternativet. De ønsker likevel at andre muligheter blir vurdert der estetiske hensyn veger tyngre.
Gang - og sykkelbru
Det er gunstig for myke trafikanter med rene gang- og sykkelbruer for å unngå sterkt trafikkerte veger. Dette gjelder både av sikkerhetsmessige hensyn, og for å oppnå bedre fremkommelighet for alle. På større veger og bruer brukes fysiske hindre for å holde myke og harde trafikanter adskilt. Ved store og kompliserte vegsystemer er det viktig at gangvegene prosjekteres i startfasen. Valg av kryssningsmåte og det visuelle uttrykket blir da samordnet og blir en del av helheten. Ved planlegging av et gangvegsystem er det viktig å ta hensyn til naturlig bevegelsesbane for at trafikantene skal benytte seg av valgt system. Ugunstig plassering kan føre til farefulle situasjoner, og er mislykket både trafikksikkerhetsmessig og økonomisk.
Bjelkebru
Figur 8 Bjelkebru. Figur 4.3.3-1 [10].
En bjelkebru består av en plate på bjelker bestående av enten betong eller stål. Den har et åpent tverrsnitt og kan i prinsippet utformes slik man ønsker. Laster som påføres brudekket blir overført ned til bjelkene som videre fører lastene til opplagerne eller underbyggningen. Bruplaten tar ikke opp noen
10 større laster i vertikal retning. Horisontale krefter vil platen overføre i lengde- eller tverretning av bruen. Platen består oftest av betong eller stål 4.3.3 [10].
Platebru
Figur 9: Platebru. Figur 4.3.2-1 [10]:
Platen har et massivt tverrsnitt og fordeler kreftene jevnt utover et større areal. En ytre belastning fører til at platens overside blir presset sammen og undersiden blir
strukket. Platene bæres av søyler som fører kreftene ned til bakken. Det skilles mellom ettspenns, tospenns og trespenns platebruer, hvor sistnevnte utgjør størst
andel. Brugeometrien bestemmes ut i fra statikk, økonomi og hvor det er mest funksjonelt med plassering av søylene 4.3.2 [10] [11]
Materialer:
Betong
Betong blir ansett som det mest brukte materialet innen bygg. Noe av det som gjør betong så mye brukt er betongens bestandighet og allsidighet [12]
Betong er et sammensatt byggemateriale og består av vann, tilslag, sement og tilsetninger. En blanding av vann og sement kalles sement-lim. Tilslag er en samlebetegnelse for sand, stein og pukk, og bør bestå av alle fragmentstørrelser. Kornene bør ha rund eller kubisk fasong for å hindre unødvendig overflateareal og unødvendig bruk av sement-lim. Tilslaget utgjør 60% - 70% av betongens volum.
De minste fragmentene fyller hulrommene, mens de største fragmentene gir styrken til betongen. Det blir anbefalt at de største fragmentene utgjør maks 40% av tilslaget [12]. Dersom tilslaget eller vannet inneholder organiske materialer kan det hindre betongens herdingsprosess. Det anbefales at
komponentene er så ren som mulig. Hensikten med tilsetningsstoffene er å forbedre betongens egenskaper. Akselererende stoffer gjør at betongen herder hurtigere og retarderende stoffer skal forlenge størkningstiden.
11
Figur 10 Betong med armering[13].
Ferdigblandet betong fremstår som en seig og lett formelig masse. Hydratiseringen setter i gang betongens herdingsprosess, og resulterer i et hardt materiale. Formingen og støpningen må skje senest en til 2 timer etter blanding. Under herdeprosessen må betongen holdes fuktig, og vann må regelmessig tilføres for å hindre prosessen i å stoppe opp. Blandingsforholdet mellom sement, tilslag, vann og tilsetningen er avgjørende faktorer som definerer betongens styrke.
Figur 11 Spenning- tøyningsdiagram. Figur 3.3 [13]
Betong blir klassifisert etter fasthet- og bestandighetsklasse [12]. Fasthetsklassen angir hvor stor ytre belastning betongen tåler før den går til brudd og de vanligste klassene er B20, B30, B35 og B45. I oppgaven benyttes B45 som er gunstig å benytte i bruer da den har høy styrke.
Bestandighetsklassen definerer betongens evne til å tåle ytre påkjenninger over tid.
12 Betongens levetid blir avgjort av miljøet og påkjenningene den blir utsatt for. Moderne betong blir ansett som vedlikeholdsfritt med en bestandighet på 50-200 år.
For å kontrollere kvaliteten på betongen utføres en til to trykkfasthetstester, 7 døgn og/eller 28 døgn etter utstøping. Denne testen angir hvor mye trykkraft betongen tåler. Betegnes
betongen B35 betyr det at den skal tåle 35 kN/m.
Betongen har god evne til å ta opp trykk, men tåler ikke strekk i stor grad. Riss kan oppstå dersom betongen blir utsatt for strekk eller bøyning som overskrider betongens strekkapasitet.
Rissing innebærer at det tidligere lukkede materialet nå får sprekkdannelser fra kantene og vann kan lettere trenge inn. Det blir fare for korrosjon forårsaket av salter og klorider.
I henhold til tegningen utlevert av Statens vegvesen (V.A.1) ble det anvendt betongkvalitet C55 for eksisterende bru. Betegnelsen for betongens kvalitet har endret navn siden bruen ble dimensjonert etter gammel standard. Ved å sammenligne dagens standard med gammel standard ses det at betongkvalitet C55 samsvarer med dagens betongkvalitet på B45. [14]. I oppgaven benyttes denne betongkvaliteten på eksisterende bru og vegbru.
Armering
Armering er varmvalsede jernstenger med eller uten kammer som blir lagt ned i forskalingen før støping for å styrke betongkonstruksjoner. Kammene sikrer heft mellom jernstengene og betongen for å hindre materialene i å gli fra hverandre. Høy elastisitetsmodul og forholdsvis lav pris gjør armering ettertraktet på byggeplasser. Elastisitetsmodulen beskriver materialets motstandsevne mot deformasjon. Denne ligger på 200.000 MPa for armeringsstål. Til sammenligning har betong i fasthetsklasse B45 en elastisitetsmodul på 36 000 MPa.
Stålkvalitet B500NC er den mest brukte armeringsstålet i Norge. Tallet 500 beskriver den karakteristiske flytegrensen. En B i navnet tilsier at stangen har kammer, og bokstavene NC angir stålklassen med hensyn på stålets tøyelighet [15].
Armeringen tar opp strekk- og trykkrefter betongen selv ikke klarer å ta opp. Tilsammen utgjør betong og armering et allsidig byggemateriale.
Det finnes 3 typer armering, spennarmering, slakkarmering og fiberarmering. På bruen benyttes slakkarmering.
13 Overdekning
For å oppnå ønsket bestandighet på konstruksjonen stilles det krav til overdekningens tykkelse [16].
Overdekningen regnes fra betongoverflaten og ned til nærmeste konstruktive armering og beregningen tar ikke hensyn til overflateporer. Den fungerer som en korrosjonsbeskyttelse for armeringsstålet.
Klorider hindres i å trenge inn i betongen og forårsake en rustningsprosess.
Bruen dimensjoneres etter brukstid og eksponering. Standard [17] tabell 2.1 oppgir at det er normalt å dimensjonere bruer og andre monumentale bygningskonstruksjoner for 100 års brukstid. For vanlige konstruksjoner settes den til 50 år. Vegvesenets håndbok N400 [18]stiller krav til overdekningens tykkelse. Den minste tillatte overdekningen bestemmes som den største av krav til heft og krav til bestandighet. Harde miljøpåkjenningen på konstruksjonen øker kravet til overdekningens tykkelse.
Tabell 7.2 [18] oppgir at for bruer som er utsatt for saltsprut og fuktighet settes overdekningen til 60 mm. Bruen blir utsatt for klorider i form av salting av vegen. Heft bestemmes etter kammens diameter.
Bruen er dimensjonert med 25 mm kam og dette gir en minimums overdekning på 60 mm.
Håndboken godtar et avvik i overdekningen på ± 15 mm med kamstørrelse 25 mm. Det er forventet et avvik mellom beregnet og reell overdekning.
Nominell overdekning er summen av minimum overdekningen pluss tillatt avvik. Cnom=Cmin+ΔCdev=80 mm
Den beregnede overdekningen er gjeldende for både den eksisterende bruen og vegbruen.
Kapittel 3. Laster
Generelt om laster
For å dimensjonere en konstruksjon må en vite hvor stor kapasitet den trenger. Lastene sier hva som påvirker konstruksjonen og i hvilken grad, slik at man kan vite hvor mye konstruksjonen må motstå.
Lastene klassifiseres etter deres varighet over tid, og deles inn i permanent last, variabel last og ulykkeslast.
Figur 12 viser ulike laster og hvor aktuell de er for oppgaven. De aktuelle lastene blir beskrevet og beregnet i oppgaven. Noen laster er neglisjerbare, vi velger som tidligere nevnt å se bort ifra dem for å avgrense oppgaven, mens andre ses bort ifra liten sannsynlighet for at den vil opptre eller at den er i en ubetydelig størrelsesorden. Andre laster er igjen uaktuell på grunn av konstruksjonens plassering eller byggemåte.
I beregningene plasserer vi lastene på ulike måter, dette velges med fornuft eller blir angitt i standardene. Hovedsakelig brukes punktlaster og jevnt fordelt last. Enkeltelementer som søyler
14 plasseres som punktlaster. Laster over større områder fordeles utover som linjelast, eksempelvis rekkverk, eller flatelast, eksempelvis belegning.
15 Aktuelt Neglisjerbart Ikke aktuelt
Permanent last
Egenlast X
Vanntrykk X
Jordtrykk X
Variabel last
Midlertidig last X
Trafikklaster X
Snølast X
Vindlast X
Bølger og strøm X
Variabelt vanntrykk X
Skred X
Islast X
Termisk påvirkning X
Seismisk påvirkning X
Forspenning og relaksasjon
X
Kryp og svinn X
Setninger X
Lagerfriksjon X
Jordtrykk mot endeskjøt
X
Ulykkeslast
Påkjørsel av kjøretøy
X
Brann og eksplosjon X
Skred og flom X
Figur 12 Lasttabell.
16
Permanente laster
Permanente laster er tilnærmet konstant og tilstede gjennom hele konstruksjonens levetid.
Laster som karakteriseres som permanent inkluderer egenvekten til konstruksjonsdeler, fast installert utstyr og jordtrykk på søylen.
Egenlast
I tillegg til å bære påførte laster som virker på konstruksjonen, må bruen bære sin egen tyngde. Egenlast er her en fellesbetegnelse som består av alle permanente deler av
bruoverbygningen. For denne bruen inkluderer det betongdekke med armering, belegning og rekkverk. Beregning av areal og egenlast for dekket, både for eksisterende bru og vegbru, fremkommer i henholdsvis vedlegg V.A.3 og V.B.1.
Overbygningens egenvekt
Av lastene som er inkludert i egenlasten er det betongdekket med armering som regnes som en bærende konstruksjon, og derfor det som må bære sin egen vekt. Belegning og rekkverk bærer ikke bruen og defineres ikke som overbygningens egenvekt, men inkluderes i
totalberegningen av egenlasten. Inkluderer likevel rekkverkskanten i arealberegningen da denne er i betong. I NBI’s detaljblad punkt 21 [19] ser vi at tettheten til armert
konstruksjonsbetong er på 25 kN/ m3. Dekket har et tversnittsareal på 1,798 m2 for eksisterende bru, og en rekkverkskant på 0.147 m2. Total egenvekt er på 52,307kN/m i lengderetning. For vegbruen, med ett tverrsnittsareal på 3,692 m2, og en rekkverkskant på 0,281m2, utgjør egenvekten en last på 106,331kN/m. Bruen består av massiv armert betong.
Dette gjør at egenvekten utgjør en svært betydelig del av lastene på bruen.
Belegning
Belegning er et lag som beskytter bærende konstruksjon mot nedbrytning og slitasje, og benyttes der trafikkantene ferdes. Belegning kan bestå av asfaltslitelag øverst med blant annet isolering og avrettingslag under. Type og tykkelse på belegning kan bestemmes etter N200 Vegbygging [20]. Forenklet benyttes minimumskrav for belegningsvekt på gang- og sykkelbru som angitt i tabell 5.2 [18]. For spennlengder under 200 m oppgis en
minimumsvekt på 2,0 kN/m2(5.2.2.2). For en vegbane som er 3m bred utgjør dette en last på 6 kN/m i lengderetning.
17 Minimumskrav for belegningsvekt i kjørebane på vegbru er angitt i tabell 5.1 [18]. For
spennlengder på under 200 m oppgis vekten 3,5 kN/m2, og belegningslasten ender på 10,5 kN/m
Rekkverk
Håndbok [18] henviser oss til N101 [21] rekkverk og vegens sideområder for bestemmelse av rekkverk. Ettersom det er fare for å falle utfor bruen og ned på underliggende veg, må
rekkverk benyttes. For gang-sykkelbru som ikke er åpen for biltrafikk er ikke rekkverk beregnet for kjøretøy nødvendig. Det benyttes rekkverk for gående og syklende. Dersom det brukes tyngre driftskjøretøy med brøyteutstyr som kan volde stor skade eller forårsake sekundærulykker på veg, skal det brukes vegrekkverk. På eksisterende bru antas det at driftskjøretøy vil være så små at det kan ses bort i fra tyngre driftskjøretøy, og at det kan brukes rekkverk for gående og syklende 3.7.1 [21] .Dimensjonerings- og geometrikrav finnes i N101 rekkverk og vegens sideområder, og håndbok V161 Brurekkverk [22].
Vekten av rekkverket varierer ut ifra hvilken type det er og produsenten. Forenklet velges vekten etter punkt 4.1.1. [23]. Benytter rekkverkslast på 0,5 kN/m for rekkverk laget i stål både på eksisterende bru og vegbru.
Total egenlast
Total egenlast for egenvekt, belegning og rekkverk settes i beregningene som en jevnt fordelt last. I virkeligheten vil rekkverket virke som en linjelast i ytterkant av tverrsnittet, og
belegningen kun mellom rekkverkskantene. Disse lastene er små sammenlignet med egenvekten. Tverrsnittets symmetri vil begrense konsekvensene Denne forenklingen vil være av liten betydning. Egenlast for eksisterende bru er beregnet til 59,307 kN/m, totalt 1514,708 kN for hele bruen. For vegbru er egenlasten på 117,831kN/m, med en total på 3009.394 kN. For fullstendig utregning se vedlegg V.B.1.
Vanntrykk og jordtrykk
Håndbok [18] stadfester at begge lastene skal bestemmes ut fra standard for geoteknisk prosjektering [24] og håndbok [25]. Lastene virker på støttemur og landkar, og vil ikke virke
18 direkte på overbygning. For å avgrense oppgaven ses det kun på laster på overbygningen, og vann- og jordtrykk blir derfor sett bort fra.
Variable laster
Variable laster er alle laster som ikke er en permanent del av konstruksjonen. Laster som naturlaster, trafikklaster og ulykkelaster er laster som påvirker konstruksjonen i korte perioder.
Trafikklaster
Trafikklaster er påkjenninger fra myke og harde trafikanter på bruen. Kreftene fra
trafikklastene virker horisontalt, vertikalt og sentrifugalt på bruen. Utforming av bruen og antall kjørefelt bidrar til å distribuere kreftene. Kreftene beregnes etter standard for trafikklast på bruer [13],i tillegg til håndbøkene [18]og [6].
Laster fra trafikk på bruen varierer i stor grad. ÅDT, andel tunge kjøretøy, konsentrasjonen av biler, estimert vekt og aksellast er alle faktorer som påvirker størrelsen, konsentrasjonen og frekvensen av lastene. For å ta hensyn til variasjonsmulighetene er det i trafikklaststandarden punkt 4.3.2 [13] definert fire lastmodeller. Alle laster forårsaket av normal trafikk i vertikal retning blir ivaretatt i lastmodellene.
Lastmodellene benytter ekvivalentkrefter, der et gitt antall kjøretøy i forskjellige vektklasser benyttes for å dekke belastningene. En ekvivalent kraft er likeverdig med kraften den erstatter, slik at det oppnås samme virkning.
Trafikklaster på eksisterende bru
På eksisterende bru virker laster fra myke trafikanter i vertikal retning. Servicekjøretøy gir krefter i vertikal og horisontal retning. Antar av sikkerhetsmessige årsaker at servicekjøretøy og myke trafikanter ikke benytter brua samtidig. Lastene vil ikke opptre samtidig.
19 Vertikale krefter
Lastmodell 4 [13] benyttes for myke trafikanter og dekker en jevnt fordelt last fra en folkemengde. Foreligger det risiko for en kontinuerlig tettpakket folkemengde på bruen benyttes last for folkemengder på vegbruer på qf=5 kN/m2 (4.3.5) [13] På gang-/sykkelbruer uten risiko for store folkemengder benyttes formel (5.1). Dette gir en last på qf= 4,07 kN/m2. Velger konservativt å benytte lasten på qf=5 kN/m2.
Servicekjøretøyet har to aksellastpar på 80 kN og 40 kN. [13] Avstanden fra hjulsenter til hjulsenter er satt til 1,3 m. Hvert hjul har en kontaktflate på 0,2 m.
Figur 13 Plassering av trafikklast på bru [24].
Horisontale krefter
Horisontalkrefter på bruen utgjøres av bremse- og akselerasjonskrefter 4.4.1 [13].Kreftene virker i lengderetningen av bruen og er like store, men motsatt rettet. Hosisontalreftene fra service kjøretøyet utgjør 60% av vertikalkreftene i henhold til standarden
Tverrgående krefter
Tverrgående krefter er laster som oppstår som følge av bremsing og sladding 4.4.2 [13]. De opptrer samtidig som bremse- eller akselerasjonskrefter. Tverrgående krefter settes til 25% av bremse- og akselerasjonskraften.
Trafikklaster på vegbru
Vegbruen får påkjenninger fra både myke og harde trafikanter. Alle lastmodellene benyttes for å dekke samtlige variasjonsmuligheter.
20 Vertikale krefter
Lastmodell 1
Lastmodellen er sammensatt av punktlaster og jevnt fordelte laster som dekker effekten av de fleste kjøretøy. Modellen er delt inn i tandem system, (TS) og uniformly distributed load (UDL). TS er en dobbelt aksel punktlast der lasten pr. aksel fordeles på to hjul. I beregninger plasseres kun ett TS per kjørefelt. Lasten plasseres mest mulig ugunstig. Der kjørefeltet ved siden av har et TS kan lasten plasseres inntil 0,5 m fra hverandre.
UDL er den jevnt fordelte lasten fra trafikken, og skal plasseres ugunstig i lengde- og tverretning. Tabell 4.2 [13] viser fordelingen i tverretning.
Ettersom vegbruen kun har en kjørebane plasseres både TS og UDL sentrisk på bruen. Se figur 17.
Figur 14: Vegbane og skulder på brudekket. Egen tegning.
Lastmodell 2
På konstruksjoner med korte spenn benyttes lastmodell 2 for å dekke den dynamiske effekten fra trafikk. En enkel aksellast på 400 kN plasseres vilkårlig i kjørefeltet.
Lastmodell 3
Dersom det er relevant brukes lastmodell 3 til å dekke aksellast fra spesialkjøretøy på bruen. Ettersom bruen kun er tiltenkt benyttet til omkjøring for nærliggende bebyggelse er det ikke relevant å bruke denne modellen.
21 Lastmodell 4
Denne modellen brukes for å dekke den jevnt fordelte lasten fra en folkemengde. Foreligger det risiko for en kontinuerlig tettpakket folkemengde på bruen benyttes last for folkemengder på vegbruer på qf=5 kN/m2 4.3.5 [13] På gang-/sykkelbruer uten risiko for store folkemengder benyttes formel 5.1 [13] Dette gir en last på qf= 4,07 kN/m2. Velger konservativt å benytte lasten på qf=5 kN/m2.
Horisontale krefter
Horisontalkrefter på bruen utgjøres av bremse- og akselerasjonskrefter 4.4.1 [13]. I likhet med servicekjøretøy på eksisterende bru er dette krefter som virker i lengderetningen av bruen og er like store, men motsatt rettet. Forskjellen er at de beregnes ut fra de maksimale verdiene fra lastmodell 1, ved bruk av formel 4.6 [13] Lastene er beregnet til å være +- 420,5kN
Tverrgående krefter
De tverrgående kreftene fra skrensing opptrer samtidig som bremse- eller
akselerasjonskrefter. Lasten tilsvarer 25% av bremse- og akselerasjonskraften, og er beregnet til 105 kN.
Naturlast
Naturlaster er variable laster som oppstår på grunn av klimaet og andre naturfenomener på brustedet. Karakteristisk verdi for lastene er gitt med en sannsynlighet på 98% for at lasten ikke overskrides på ett år. Lasten får teoretisk en større verdi 2 % av tiden. Last med
overskredet veridi har en returperiode på 50 år. 5.4.1 [18]
Snølast
Snølast varierer med tiden, og er påvirket av klima, terrengform og høyde over havet.
Beregninger utføres etter snølaststandarden [26]. Håndbok [18] stiller krav om rydding av snø på vegnettet, og snølast vil ikke opptre samtidig som trafikklast. Bruen regnes som ryddet for snø. 5.4.2 [18] Det er heller ingen lagringsplass på bruen. Snølast sees bort ifra.
Termisk last
Temperaturlaster oppstår forskjellige steder i konstruksjonen ved endringer av lufttemperatur og sollys. Disse lastene fører til ekspandering og kontrahering i konstruksjonen og kalles
22 termiske laster. Bruens beliggenhet, utforming og størrelse er det som avgjør størrelsen på lasten. Termiske laster beregnes etter håndbok N400 og NS-EN 1991-1-5:2003+NA:2008
I henhold til Standarden kap 4(3) [27] fordeles virkningen fra de termiske lastene inn i
a. jevnt fordelt temperaturandel
b. lineært varierende temperaturdifferanse i horisontalretning c. lineært varierende temperaturdifferanse i vertikalretning d. Ikke-lineært varierende temperaturdifferanse
Figur 15 Virkning fra termisk last. [27]
Bruen ligger i et relativt åpent landskap uten høye elementer som skjermer for sollyset. Bruen blir derfor eksponert for sollys jevnt over hele bruen. Temperaturen varierer ikke horisontalt, og punkt b) blir derfor ikke aktuelle å beregne. Punkt c) tar for seg indre spenninger i likevekt, og gir ingen ytre lastvirkninger på konstruksjonsdelen. Videre beregnes punkt a) og c).
Lineært varierende temperaturdifferanse i vertikal retning:
Temperaturdifferansen mellom undersiden og oversiden av overbygningen gir en deformasjon av bruen. Den kaldeste siden trekker seg sammen, og den varmeste utvider seg. Krumningen fører til spenninger, og ved korte stive konstruksjoner vil man spenningene bli
store. Temperaturdifferanseandelen varierer etter hvilke materialer bruen består av, og om det er undersiden eller oversiden som har høyest temperatur. Denne verdien er gitt i tabell 6.1 [27] og er basert på en belegningstykkelse på 50mm. Ved andre tykkelser kan interpolering brukes for å finne riktig verdi ved hjelp avtabell 6.2. NA.6.1.1(1) [27] oppgir betongbru som bruoverbygning avNA.6.1.1(1) [27]oppgir betongbru som type 3. Det Benyttes forenklet verdien for 50mm tykkelse direkte fra tabell.
23
• 𝚫TM.heat::=15
• 𝚫TM.cool:=8
Jevnt fordelt temperatur andel:
Dersom temperaturen endres konstant gjennom hele bruens tverrsnitt, ekspanderer eller kontraherer over- og undersiden like mye i lengderetning. For å finne den jevnt fordelte temperaturandelen benyttes høyeste og laveste temperatur som kan oppstå på bruen. Dette avgjøres av bruens geografiske beliggenhet. Figur NA.A1 og Figur NA.A2 [27] viser kart over maksimums- og minimumstemperaturer i Norge. I Bergen er forholdene beskrevet med minimumstemperatur på -25℃ til -20℃ og maksimumstemperatur på 32℃ til 34℃.
Jevnt fordelt temperaturandel beregnes i henhold til 5.1 [27].
Varierende temperaturdifferanse i vertikal retning kan oppstå samtidig. Alle lastkombinasjonene beregnes, og den mest ugunstige benyttes.
Temperatutlasten legges direkte inn i ROBOT som temperatur, hvor den gjøres om til en last.
Vindlast
For å kunne beregne vindlast på bru må man først vite hvilken vindlastklasse bruen ligger i.
Klassene bestemmes etter 5.4.3.1 [18] og defineres ut ifra hvilken grad dynamisk lastvirkning påvirker bruen. Det som utgjør denne virkningen er egensvingeperioden til bruen og
spennvidden. Bjelkeplatebruer faller ofte under vindklasse 1, sammen med brutypene platebru, bjelkebru i betong og stål, samvirkebruer og fagverksbruer. Klassen gjelder alle bruer med egensvingeperiode under 2s og med lengder under 300m. Bruen har et totalt spenn på 25,54m, og det antas at egensvingeperioden for bruen er <2s. Den dynamiske
lastvirkningen fra vind vil være ubetydelig og bruen havner i vindlastklasse 1. [28] gir
retningslinjer til utregningen av karakteristisk vindlast. Ved vindlastklasse 1, kan det ses bort i fra dynamiske lastvirkninger, og forenklet metode benyttes dermed i beregningene.
Kraften vinden virker på konstruksjonen med beregnes ut fra vindens hastighet. Gjennom flere år har det blitt foretatt målinger av vindhastigheten i kommuner i hele Norge. Dette har gitt et grunnlag for gjennomsnittlig hastighet i den enkelte kommune, dette finnes i tabell
24 NA.4 (901.1) [28] Denne verdien justeres for det spesifikke stedet en konstruksjon oppføres.
Påvirkende faktorer er alt fra årstid til høydenivå og formen på nærliggende terreng.
Figur 16 Aksesystem tverrsnitt påvirket av vind. Påtegnet vindretning på tegning fra standard [28].
Beregning av vind på brukonstruksjoner skal utføres både med og uten trafikklaster, i brudd- og bruksgrensetilstand. Ved beregning av vindlast på vegbru skal vind- og trafikklast
kontrolleres for situasjoner der de opptrer samtidig. Dette stilles det ikke krav til ved beregning av laster på gang-/sykkelbru.
Uten trafikklast:
Beregninger uten trafikklast er gjeldende for både eksisterende bru og vegbru.
Dimensjonerende last beregnes ut fra referansevindhastigheten, Vb.0, hentet fra tabell NA.4(901.1). [28] For konstruksjoner i Bergen i Hordaland gir tabellen
referansevindhastighet 26 m/s med returperiode på 50 år. Avlesningen blir tatt med videre i beregningen.
Figur 17 Referansevindhastighet. Utdrag fra Tabell NA.4 (901.1) [28]
25 Referansevinden korrigeres med faktorer etter årstidene,returperioden, vindretningene og nivåhøyden.
Vb=Cdir*Cseason*Calt*Cprob*Vb,0
• Cdir vindretning
• Cseason årstid
• Calt nivåhøyde
• Cprob returperiode
Korreksjonsfaktoren går ut på å redusere referansevinden for enkelte vindretninger og årstider, og å øke referansevinden for høyere nivå og returperioder. Ettersom konstruksjonen blir stående gjennom alle årstider og får vind fra alle retninger, blir de mest konservative tilfellene gjeldende og korreksjonsfaktoren for vindretning og årstid settes lik 1,0. Bruer dimensjoneres for å stå i 100 år. Returperioden for vind er normalt på 50 år, og verdien justeres derfor til 1.038 som beregnet i vedlegg V.B.3
For Vb.0-verdier under tregrensenivået, H0, er det tatt hensyn til skjermingseffekt fra fjell. I høytliggende områder øker vindens hastighet, og Calt vil få en høyere verdi enn 1,0. Bruen befinner seg 38.5 moh, noe som er godt under tregrensenivået på 900 meter i Bergen, og vi beholder faktor 1,0. Korrigert referanseverdi vbblir 28.08m/s.
Videre benyttes forenklet metode til å beregne kreftene på brukonstruksjonen. Bruen påkjennes av vind i ulike retninger, og kan få horisontale krefter, vertikale krefter og vridningsmoment.
Kraft i X-retning (forenklet metode)
Ligning (8.2) [28] benyttes for å regne ut kreftene.
Fw,x = 0,5∗𝜌 ∗Vb ∗C ∗Aref,x
• 𝜌 luftdensiteten.
• Vb basisvindhastighet
26
• C vindlastfaktor
• Aref,x referanseareal i x-retningen
•
Figur 18 Referansehøyder for vindlast [28].
Når man beregner vindlast uten samtidig trafikk blir referansehøyden satt til totalhøyden av brukassen og en beregnet verdi for type rekkverk gitt i tabell 8.1 i standarden [28]
Referansearealet som brukes er gitt av denne høyden og bruens lengde. Standarden angir luftdensiteten til 1,25 kg/m3. Vindlastfaktoren beregnes på bakgrunn av en eksponeringsfaktor Ce og kraftfaktor Cf,x.
C = Ce(𝑧)∗Cf,x
• Ce eksponeringsfaktor
• Cf,x kraftfaktor
Kraftfaktoren Cf gir den samlede virkningen av vinden i den bestemte retningen. For vanlig bru settes Cf,x til 1,3, i henhold til 8.3.1(1) [28]
Eksponeringsfaktoren beregnes ut fra basisvindhastighetstrykk og et lokalt vindkasthastighetstrykk.
Ce(𝑧) =𝑞p(𝑧)/ 𝑞b
Vindkasthastighetstrykk
Forutenom lasten fra den normale vindhastigheten på stedet, vil det oppstå krefter i
vindkastene. Terrengets form og ruhet gir mulighet for å beregne vindhastighetens standard avvik, og deretter turbulensintensiteten. Vindkasthastighetstrykket beregnes så med hensyn på stedsvindhastigheten og den største kortvarige fluktuasjonen i vindhastighet.
27 Vindkraften bestemmes ifølge ligning (8.2), og vindkraften i x-retning uten samtidig trafikk blir på 70.619 kN.
Kraft i z-retning:
Cf,z er satt til ±0.9 da vindkreftene kan virke både opp og ned. Referansearealet er gitt av bruens totale bredde og lengde.
Vindkraften i z-retning uten samtidig trafikk blir på 195.56 kN.
Kraft i y-retning:
Krefter langs bruen tas hensyn til dersom det er nødvendig. For bjelkebruer regnes kraften som 50% av kraften som virker i x-retning. Vindkraften i y-retning uten samtidig trafikk blir på 35.309 kN.
Med trafikk:
For vegbru skal vindlast i tillegg beregnes med samtidig opptredende trafikklast. Her benyttes rektangulær vindflate fra kjøretøy, og man ser bort i fra rekkverket. I vindlastklasse 1 settes høyden til vindflaten for kjøretøy til 2m, regnet direkte fra oversiden av kjørebanen. Lengden settes lik det som gir ugunstigst lastvirkning.
Vindlasten settes lik den minste av to beregningstilfeller. I det ene tilfellet settes kastvindhastigheten til 35 m/s i kjørebanens høyeste punkt, i det andre tilfellet benyttes vindfelt med returperiode på 50 år dersom dette gir lavere verdi. NA.8.1(4) [28]. Begrenset referansevindhastighet settes lik 23m/s
Ved samtidighet av vind- og trafikklast benyttes en redusert kombinasjonsverdi.
Referansevindhastigheten Vb.0 erstattes med begrenses verdi på 23m/s. 8.1(4) [28]
Alternativt settes kastvindhastigheten til 35 m/s i kjørebanens høyeste punkt. Vindlasten settes lik den minste av to beregningstilfellene.
Komplette utregninger for vindlast finnes i vedlegg V.B.3
28 Islast
Utforming av konstruksjonen skal tilpasses etter lokale forhold for å redusere påkjenninger fra islaster mest mulig. Islast forekommer kun ved betydelig vannmengder som sjø og elver.
Brukonstruksjonen ligger over to veger, ikke over et vannleide, og det er dermed ikke fare for islaster. Videre beregning er unødvendig.
Deformasjonslaster:
Deformasjonslaster kommer fra påførte deformasjoner, eller deformasjoner som oppstår som følge av materialenes egenskaper. Lastene er ofte avhengig av tid og beregnes innenfor det tidsrommet som blir betraktet. Svinn, kryp og setninger er eksempler på deformasjonslaster.
5.5.1 [18]
Kryp
Kryp er deformasjonen i betongen grunnet ytre belastninger over tid og responderer med et initial sammentrykk. Krypet i betongen vil fortsette til krypgrensen er nådd. Reduksjonen i størrelsen vil resulterer i spenningsøkning i betongen og vil være proporsjonal med
spenningen til kryptøyningen. Kryp er sammensatt av plastisk og elastisk deformasjon [29].
Plastisk deformasjon er en permanent deformasjon. Elastisk deformasjon går betongen tilbake til sin opprinnelige form ved fjerning av ytre laster. Kryptallet er forholdet mellom
krypdeformasjon og momentan deformasjon. Erfaring tilsier at 75% av sluttverdien er oppnådd ett år etter ferdigstillingen. Det diskuteres om kryptallet fortsetter uendelig eller om det stopper på et punkt [5] [30]Termisk påvirkning og relativ fuktighet er avgjørende for betongens deformasjon.
Figur 19 Virkning av kryp etter belastningstidspunk [13].
29 Betongens belastningstidspunkt er satt til 7 dager for egenlast og 28 dager for nyttelast. Tallet er basert på erfaring.
Svinn:
Etter ferdigstilling av konstruksjonen forlater en del av vannet kapillærporene og fordamper til omgivelsene. Kapillær strekkspenning i betongens porevann oppstår når overflaten tørker ut [29].
Vannet i betongen avdamper til omgivelsen og oppstår et volumreduksjon i betongelementer.
Størrelsen på arealet som er direkte kontakt med oppgivelsen påvirker svinnets mengde.
Øking av arealet vil være proporsjonal med økningen av størrelsen på
svinnet Totalsvinnmengde er sammensatt av to bidrag, Autogen svinntøyning har en lineær funksjon og oppstår tidlig stadium. Uttørkingssvinn er en funksjon av fuktighetstransport gjennom herdet betong.
Brukonstruksjonen er i kontakt med omgivelsen fra alle kanter. Prosessen forventes å avta etter 1-2 år.Tallene er basert på erfaring og laboratorieundersøkelser [29].
Lavt vanninnhold og en høy andel grovt tilslag reduserer svinn i betongen. Tilføring av vann eller tildekking av plastfolie under herdeprosessen minimerer svinnet.Totalt svinn er gitt ved:
𝜀cs = 𝜀cd + 𝜀ca
Kryp og svinn er påvirket av belastningstidspunktet. Belastningstidspunkt for egenvekten er satt til når forskalingen rives, mens nyttelasten beregnes påsatt når betongen er herdet ferdig.
Setninger
Setninger er deformasjoner i form av sammensynking som oppstår i grunnen pga ytre laster. Størrelsen på deformasjonene bestemmes av grunnens evne til å motvirke kreftene. Fast fjell har stor evne til å motvirke deformasjoner. Søylen er fundamentert ned på fast fjell og setninger vil dermed ikke oppstå.
Videre beregning er unødvendig.
Lagerfriksjon
For at utvidelse eller sammentrekning av en bru ikke skal medføre store indre spenninger, har bruen glidelager i opplegg der det er hensiktsmessig. Overbygningen kan fritt bevege seg i lengderetning ved at det glir på lageret. Ved forskyvninger i bruens lengderetning oppstår det friksjonskrefter i lageret.
Ettersom bruen ikke er fastholdt i lengderetning, er det kun er friksjonskreftene som motvirker
30 forskyvningene. Kreftene som oppstår ved oppleggene fordeles på konstruksjonens øvrige opplegg i henhold til stivheten i oppleggene. I samsvar med oppgavens begrensninger velges det å kun se på bruoverbygningen, og vi ser bort i fra lagerfriksjon.
Ulykkeslaster
I løpet av bruen sin levetid kan konstruksjonen bli utsatt for ulike ulykkeslaster. Eksempler på dette er påkjørsel på konstruksjonen og eksplosjoner. Om det bør taes hensyn til lastene i lastberegningene på bruen avhenger av flere faktorer beskrevet i punkt 3.2(1) i ulykkesstandarden [31].Tiltak for å
forhindre hendelsen, sannsynligheten for at lasten skal oppstå og risikonivå som kan godtas er noen av faktorene. I oppgaven ses det på de ulykkeslastene som har størst sansynlighet for å opptre.
Påkjørsel fra kjøretøy under bruen
Søylen under bruen beskyttes av et stivt rekkverk. Faren for påkjørsel på søylen blir derfor redusert og støt mot bærende underbygning kan sees bort ifra. Påkjørsel på overbygningen har større
sannsynlighet for å inntreffe, og må beregnes. Støt mot overbygning kan inntreffe dersom trailere eller lastebiler med last er høyere enn den frie høyden. Bruen har en fri høyde på 4,7 m over den
kommunale vegen, og 4,8 m over riksvegen. Det anbefales at fri høyde på samtlige veger er på 5,0m til 6,0m. Tabell NA.4.2 [31] gir veiledende dimensjonerende ekvivalente statiske krefter fra støt på overbygningen, Fdx , og gjelder i kjøreretning for normal trafikk. Bruen ligger i nærheten av en rundkjøring. Fartsgrensen der bruen står er 40 km/t, men økes like etter til 60 km/t. Benytter konservativt Fdx for 60-sonen [32]
For veger med fartsgrense 60 eller 70 km/t gir dette
Fdx=375kN.
Fri høyde opp til 5 m krever påføring av full støtkraft på overbygningen ved støt. Ved høyder mellom 5 og 6 m kan støtkraften reduseres. Eksisterende bru har fri høyde på under 5 m, og full kraft på 375kN må derfor påregnes. [31] Figur 4.2 og NA.4.3.2(1). Kraften virker vinkelrett på siden av bruen.
På undersiden av overbygningen får støtlasten en oppadrettet kraft i samme størrelse med en helning på 10 grader(4.3.2(1)Merknad 4 [31]
31 Støtlast vinkelrett på normal bevegelsesretning Fdy anses ikke som aktuelt. Arealet som støtlasten virker på er angitt i NA.4.3.2(3) [31]
A= (0.25*0.25)m2
Påkjøringslast regnes ikke å opptre samtidig som andre variable laster med mindre de er avhengig av hverandre. [18] 5.6.2) Karakteristiske verdier er angitt i [31] og [13].
For å unngå støt mot overbygningen kan det ved dimensjonering av ny vegbru vurderes å øke fri høyde til 6 m.
Seismiske laster
Seismiske laster, bedre kjent som laster fra jordskjelv, oppstår ved akselerasjon i berggrunnen.
Seismisk last betegnes som en ulykkeslast. Det stilles ulike krav til analysemetode ut i fra hvor utsatt området er og størrelse på konstruksjonen Tabell NA.2(904) [33]bestemmer om det skal brukes frihetsgrad i analysen.
Eksisterende bru
Tegningsgrunnlaget viser at bruen er søylefundamentert ned til fjell, og har en løsmasse over fjellet på mindre enn 5 meter. Grunnen blir klassifisert som grunntype A etter Tab. NA.3.1 [34] Bruens
klassifisering som gang/sykkelbru plasserer den i seismisk klasse I. Fra figur blir spissverdi for berggrunnsakselerasjon lest av til på 0.9m/s2 . Fig.NA.3(901) [34].
På bakgrunn av dette kan bruen dimensjoneres etter bestemmelsene for lav seismisk aktivitet siden kravene i NA.2.3 [33]er oppfylt. Det benyttes forenklede krav NA.2.3.7 [33] og dette gir
analysemetode 0 Tab:NA.2(904) [33]. Det stilles ingen krav til seismisk analyse for bruer i klasse 0 Håndbok 5.4.9.2 [18] og vi ser derfor bort fra dette.
Vegbru
Med en lengde på 27.54 m og klassifisering som vegbru plasseres bruen i seismisk klasse II.
Den vil får en annen seismisk faktor en gang/sykkebruen. Kan likevel bruke forenklede krav.
Dette gir analysemetode 0 og det blir ikke gjort noen seismisk analyse.
32 Skred
Skred er løsmasser i form av snø, stein eller leire som beveger seg ukontrollert ned fra en fjellside.
Forutsetter at terrenget har brattere vinkel enn 30 grader for at skredet skal utløses. [35]
Løsmasseskred oppstår ved at vann trenger seg inn i berggrunnen og forårsaker sprekkdannelser. Over tid vil sprekkene utvide seg som følge av temperaturvariasjoner og frostsprengning. Er det
gjennomgående sprekker i berggrunnen og terrenget er bratt kan løsmassene forårsake et løsmasseskred.
Snøskred oppstår når bindekraften mellom forskjellige snølag ikke klarer å motvirke tyngden av øverste snølag. Den kritiske vekten som utløser skredet er påvirket av flere faktorer. Terreng, temperatur og værforhold er det største faktorene.
I henhold til N400 skal risikoen ved skred avdekkes i hvert enkelt tilfelle. Foreligger det en risiko skal dette tas hensyn til ved utformingen av brukonstruksjonen, og håndbok [18] gir retningslinjer som skal følges. Kart fra NVE viser at det er risiko for snøskred i nærområdet. Brukonstruksjonen ligger utenfor skredsonen, og laster grunnet skred ses bort i fra.
Figur 20 Flom- og skredsonekart [7].
Flom
Flom forekommer ved store vannføringer grunnet nedbør eller snøsmelting. Vannstand eller vannføring over det normale blir definert som flom. Bruen er plassert over en kommunal veg og en fylkesveg, ikke et vassdrag, men det må taes hensyn til nærliggende områder. Kart fra NVE viser
