Fleksible kulverter i jord som alternativ til stive konstruksjoner

Fulltekst

(1)BACHELOROPPGAVE Fleksible kulverter i jord som alternativ til stive konstruksjoner Emil Kjøniksen, Petter Boge Kjønnås, Simen Bjerkemyr Magnussen og Lars Håkon Wiig 5. juni 2018 Bachelorstudium i ingeniørfag - Bygg Avdeling for ingeniørfag.

(2)

(3) Forord Dette er en avsluttende oppgave ved bachelorutdanningen for ingeniørfag bygg ved Høgskolen i Østfold avdeling Fredrikstad. Oppgaven er skrevet innenfor fagområdet geoteknikk.. Vi vil gjerne bruke denne muligheten til å takke Statens Vegvesen region Øst for en spennende oppgave. Videre vil vi også rette en spesielt stor takk til Jan Vaslestad og Aina Anthi som har vært henholdsvis faglærer og ekstern veileder. Vi har fått tilsendt mye god litteratur, spørsmål har blitt godt besvart, og vi har generelt hatt en veldig god opplevelse av skriveprossesen. Takk til Hauke Burkart fra Vegvesenets broavdeling for gode råd og innspill til denne oppgaven.. Til slutt takker vi også ViaCon Norge AS ved Peder Hembre og Harald Ihler for at de tok oss imot på bedriftsbesøk og for en flott presentasjon. En spesielt stor takk til Peder Hembre som har vært veldig behjelpelig og sendt oss mye materiale som har vært med på å forme oppgaven slik vi har ønsket.. Emil Kjøniksen. Petter Boge Kjønnås. Simen Bjerkemyr Magnussen. Lars Håkon Wiig. Fredrikstad Dato. Sted i.

(4) ii.

(5) Sammendrag Denne oppgaven tar for seg fleksible stål- og plastkulverter sammenlignet med stive kulverter av betong. Det stilles her spørsmål til hvordan håndberegninger etter Janson og Molin blir i forhold til FEM-analyse. For stålkulverter undersøkes det om det er nødvendig å benytte den nåværende dimensjoneringsmetoden for stålkulverter, KTHmetoden, eller om det vil være tilstrekkelig å benytte en av de enklere beregningsmetodene. Med tanke på klimagasspåkjenning, byggetid og byggekostnad stilles det spørsmål til om stål- og plastkulverter er et bedre alternativ enn betongkulverter. Det har også blitt gjort rede for estetikk med tanke på i hvilken grad kulvertene kan tilpasses terrenget.. Det konkluderes med at håndberegningene for plastkulverter gir en lavere sikkerhet enn FEM-analysen fra programmet ROR. Deretter konkluderes det med at KTH-metoden er metoden som gir størst sikkerhet for dimensjonering av stålkulverter, men at det utførte arbeidet ikke er tilstrekkelig til å svare fullt ut på problemstillingen. Det reflekteres her over at en konklusjon som svarer helt på problemstillingen kun kan gis dersom den testes ut med flere fullskalaforsøk hvor målinger sammenlignes med beregningsresultatene. Med hensyn til klimagass er det stål som gir det beste resultatet. For byggetid konkluderes det med at de fleksible konstruksjonene gir lavest byggetid sammenlignet med den plasstøpte betongkulverten, men at en prefabrikkert betongelementkulvert vil ha konkurransedyktig byggetid. Innenfor byggekostnad konkluderes det med at stål- og plastkulverter gir en lavere pris.. iii.

(6) Innhold FORORD ..................................................................................................................................................... I SAMMENDRAG ........................................................................................................................................ III INNHOLD ................................................................................................................................................ IV 1. INNLEDNING OG RAMMESETTING..................................................................................................... 1 1.1 TEORETISK GRUNNLAG ..................................................................................................................... 1 1.1.1 Generelt ............................................................................................................................. 1 1.1.2 Om casene.......................................................................................................................... 1 1.1.2.1 1.1.2.2. 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.1.9 1.1.9.1 1.1.9.2 1.1.9.3 1.1.9.4 1.1.9.5. 1.1.10 1.1.11 1.1.12 1.1.13 1.1.13.1 1.1.13.2. 1.2 1.3 2. Utforming ........................................................................................................................... 4 Korrugeringer og materialkvaliteter .................................................................................... 6 Archingeffekten .................................................................................................................. 7 Samvirke............................................................................................................................. 8 Levetid.............................................................................................................................. 10 Konstruksjonsmetoder - Plast ............................................................................................ 11 Konstruksjonsmetoder - Stål.............................................................................................. 12 KTH-Metoden/Rapport 112 ........................................................................................................ 12 Den canadiske metoden ............................................................................................................. 14 Soil Culvert interaction ............................................................................................................... 16 Ring Compression Theory ........................................................................................................... 16 NTH metoden ............................................................................................................................. 17. Klimapåvirkning ................................................................................................................ 18 Byggetid ........................................................................................................................... 19 Byggekostnad ................................................................................................................... 20 Estetikk............................................................................................................................. 21 Endeavslutninger/Portaler ...................................................................................................... 21 Belysning................................................................................................................................ 25. AVGRENSNINGER .......................................................................................................................... 26 PROBLEMSTILLING ......................................................................................................................... 27. METODE .......................................................................................................................................... 28 2.1 2.2. 3. Kåterud: Korrugert stålkulvert under nye E6.................................................................................. 1 Ramsås: Plastrør under veg. .......................................................................................................... 2. KONSTRUERE DATA/FREMSKAFFE INFORMASJON ................................................................................... 28 TROVERDIGHET OG GYLDIGHET AV DATAENE......................................................................................... 29. ANALYSE/DISKUSJON ...................................................................................................................... 30 3.1 KONSTRUKSJONSMETODER - PLAST.................................................................................................... 30 3.2 KONSTRUKSJONSMETODER - STÅL ..................................................................................................... 32 3.2.1 KTH-Metoden/Rapport 112 ............................................................................................... 32 3.2.2 Den canadiske metoden .................................................................................................... 32 3.2.3 Soil-Culvert Interaction...................................................................................................... 33 3.2.4 Ring Compression Theory .................................................................................................. 34 3.2.5 NTH .................................................................................................................................. 34 3.2.6 Resultatoversikt ................................................................................................................ 34 3.3 KLIMAPÅVIRKNING ........................................................................................................................ 35 3.3.1 Stålkulvert ........................................................................................................................ 36 3.3.2 Betongkulvert ................................................................................................................... 36 3.3.3 Plastrør............................................................................................................................. 36 iv.

(7) 3.3.4 Analyse av klimapåvirkning ............................................................................................... 37 3.4 BYGGETID ................................................................................................................................... 37 3.5 BYGGEKOSTNAD ........................................................................................................................... 38 3.5.1 Kommentarer til vedlegg for utregning av betongkulvert:.................................................. 39 4. KONKLUSJON OG REFLEKSJON ........................................................................................................ 43 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5. KONSTRUKSJONSMETODER – PLAST ................................................................................................... 43 KONSTRUKSJONSMETODER - STÅL ..................................................................................................... 43 KLIMAPÅVIRKNING ........................................................................................................................ 44 BYGGETID ................................................................................................................................... 44 BYGGEKOSTNAD ........................................................................................................................... 45. 5. REFERANSELISTE.............................................................................................................................. 46. 6. TABELL- OG FIGURLISTE ................................................................................................................... 49 6.1 6.2. 7. TABELLER .................................................................................................................................... 49 FIGURER ..................................................................................................................................... 49. VEDLEGG ......................................................................................................................................... 49. v.

(8) 1 Innledning og rammesetting 1.1 Teoretisk grunnlag 1.1.1 Generelt Kulvert er et samlebegrep på en konstruksjon som graves ned og skal fungere som en passasje gjennom masser. Det er en vanlig konstruksjon å benytte seg av der f.eks. en veg krysser under en annen veg, veg under jernbane, der gangveg krysser under enten veg eller bane, eller der en bekk, elv eller en viltpassasje skal passere under en veg eller jernbane.. Kulverter kan igjen deles inn i to hovedtyper. Fleksible og stive. En fleksibel kulvert er en kulvert som kan deformeres uten at dette fører til strukturelle skader. En stiv kulvert er i motsetning en kulvert som ved tilsvarende deformasjoner vil oppleve betydelige deformasjoner, ofte i form av sprekker [1].. Det er også forskjell i materiale for fleksible og stive kulverter. Fleksible kulverter er hovedsakelig produsert i stål eller plast (også tynnveggede betongrør med sirkulært tverrsnitt kan regnes som fleksible). Stål og plast har en betydelig større strekktøyningsevne, noe som fører til at de tåler større deformasjoner enn de stive kulvertene som er lagd av betong. Betong har som kjent en lav strekktøyningsevne og det er strekkarmering som tar opp strekkspenningene. Denne armeringen går dog ikke helt ut i kanten på betongen og det dannes derfor en sone som ikke tåler store strekktøyninger. Når det oppstår strekkspenninger i betongkulvertene vil dette da medføre at riss og sprekker oppstår. Dermed forringes det konstruktive og estetiske aspektet ved kulverten.. 1.1.2 1.1.2.1. Om casene Kåterud: Korrugert stålkulvert under nye E6. Strekningen Kolomoen – Arnkvern er en delstrekning på 19 km av nye E6 som skal gå fra Kolomoen – Moelv. Den totale lengden for strekningen blir på 43 km. I tillegg til de 19 km med ny E6 mellom Kolomoen og Arnkvern skal det også bygges ut 4,3 km riks- og fylkesveier, 2,1 km kommunale veier og 3,1 km med gang og sykkelsti [2]. 1.

(9) Dette er en korrugert stålkulvert som skal legges under nye E6 mellom Kolomoen og Arnkvern. Kulverten har en total lengde på 42 080 mm og skal legges i 2 etapper på henholdsvis 19 280 mm og 22 880 mm med 80 mm overlapp i skjøten [3]. Første etappe med montering skal etter planen starte 4. juni 2018 og pågå omtrent en uke. Man har valgt å dele monteringen i to etapper slik at man kan holde vegen så mye åpen som mulig. Dette er meget viktig da E6 er den viktigste transportåren nordover til for eksempel Trondheim.. Selve kulverten er av typen VM23 fra ViaCon, og skal benyttes som en passasje for en traktorveg. Kulverten skal erstatte en eldre kulvert som har passert under gamle E6. Den gamle kulverten er nå for kort da E6 oppgraderes fra 2 felts til 5 felts motorvei. Kulverten måtte derfor oppgraderes og det ble i den sammenheng valgt en korrugert stålkulvert. Den har en tiltenkt kjørebane med en bredde på 2,5 meter og en fri høyde på 3,97 meter. Mellom kulverten og den overliggende E6 legges det inn et sjikt med membran for å lede uønskede væsker bort fra kulverten. Rundt denne membranen er det lagt fiberduk på begge sider. Dette gjøres for å beskytte membranen mot eventuell mekanisk slitasje som igjen kan føre til punkteringer på membranen. Kulverten legges også med et ensidig fall på 1,0 % mot den ene åpningen for å sikre at det ikke blir ansamlinger med vann inne i kulverten [3].. 1.1.2.2. Ramsås: Plastrør under veg.. Dette er en kulvert bygd av et korrugert polyetylen (PE) rør. Kulverten er en del av fylkesvei 251, «Morkvegen» i Sørum kommune. Konstruksjonen ble bygd i februar 2018 og er bygd for å erstatte en gammel betongkulvert som lå der. Betongkulverten var i dårlig forfatning og full av sprekker, og måtte derfor byttes ut. Det ble da valgt en løsning med et fleksibelt rør av polyetylen. Det nye røret av polyetylen har en lavere ruhet enn den gamle kulverten som besto av betong og hugget stein. Man kunne derfor velge et rør med mindre gjennomstrømningsareal, men likevel opprettholde samme kapasitet [4].. 2.

(10) FIGUR. 1-1: GAMMEL OG NY KULVERT PÅ R AMSÅS (B ILDE: S TATENS VEGVESEN [4], [5]). At røret er korrugert betyr i dette tilfellet at det har en korrugering inne i rørveggen. Det er da altså ikke en solid vegg, men den består av innebygde hulrom. Hulrommene dannes av små plastvegger mellom rørets inner- og yttervegg.. 3.

(11) 1.1.3 Utforming Flerplatekulverter av stål kan leveres i mange forskjellige former og størrelser, alt etter hvilke egenskaper som er ønsket. De vanligste er presentert nedenfor, i figur 1-2:. FIGUR. 1-2: V ANLIGE TVERRSNITT. Lavtbyggende rør, ofte omtalt som «PipeArch» er godt egnet der det er krav til lav byggehøyde. Profilen defineres av 3 eller 4 forskjellige radier, og produseres ofte ved at 4.

(12) et sirkulert rør plasseres i en spesiell maskin som presser ut bunnen og rørveggene til den oppnår ønsket profil. Profilen er mye brukt i tunneler for gående og syklende. Den relativt store bredden i bunnen av profilen gjør også at man oppnår stor vannføring selv om høyden er lav, og røret er derfor godt egnet for vanngjennomstrømning, hvis den korrosjonsbeskyttes tilstrekkelig. Profilen er også mye brukt i tunneler for gående og syklende. «PipeArch» er den vanligste profilen på det norske markedet. For prosjekter med begrenset bredde tilgjenglig, kan man velge å bygge pipearchen med relativt rette vegger.. Ellipseformede og sirkulære rør er de kulvertprofilene som er best egnet på steder med dårlige grunnforhold og store belastninger, f.eks. hvis røret skal ligge med stor overdekning. Blant annet brukt til bekkelukkinger, overvann, underganger for dyr m.m. Sirkulære og ellipseformede rør er den enkleste formen å produsere, og dermed prisgunstig.. En hvelvbue er enten en halvsirkel eller en bue definert av 2 eller 3 radier. Hvelvbuene plasseres på betongfundamenter. Det at profilene mangler bunn gjør at de er godt egnet der man f.eks. ønsker å bevare den opprinnelige elvebunnen. En annen fordel er at betongfundamentene kan bygges så høye at stålet ikke er i kontakt med vannet, noe som er positivt med tanke på levetid. Det har tidligere vært så store korrosjonsutfordringer med stålkulverter, at den eneste konstruksjonsmetoden Vegdirektoratet har godtatt for kulverter som skal ha vannføring er konstruksjoner plassert på betongfundamenter [6].. Ulempen med plassering på betongfundamenter er at det kan oppstå setningsforskjeller mellom fundamentene, samt at det krever bedre grunnforhold. I tillegg vil det øke byggetiden, miljøpåvirkningen og kostnader til en viss grad.. En «Box culvert» plasseres i likhet med hvelvbuen på langsgående betongfundamenter. Formen er svært nyttig i tilfeller hvor byggehøyden til en normal hvelvbue blir for stor. På grunn av den flate formen med relativt skarpe hjørner, må en «Box culvert» ofte forsterkes. Det kan gjøres enkelt ved å feste en korrugert plate ekstra i de utsatte 5.

(13) områdene, se figur 1-3 nedenfor, man vil med det få dobbel tversnittshøyde som igjen resulterer i fire ganger høyere momentkapasitet. Hulrommene kan i tillegg fylles med betong for å øke kapasiteten ytterligere. Ved mange av de største bruene som er bygd av stålhvelv i blant annet Sverige og Polen, er «Box culvert»-profilen benyttet.. FIGUR. 1-3: FORSTERKET PROFIL. 1.1.4 Korrugeringer og materialkvaliteter Alle tverrsnittene nevnt over kan bygges av plater med forskjellige korrugeringer og materialkvalitet, avhengig av hvilken styrke som er nødvendig. Kulvertene lages hovedsakelig av konstruksjonsstål i kvalitetene S235, S315 eller S355. De mest brukte korrugeringene i Norge og Europa er: MP200, en korrugering på 200 mm x 55 mm som benyttes typisk på konstruksjoner med spenn på opptil 10-12 meter. Leveres av ViaCon i tykkelser mellom 3 mm og 8 mm. SuperCor, en nyere variant med korrugering på 381 mm x 140 mm som typisk takler spenn på opptil 30 meter. Leveres av ViaCon i tykkelsene 5,5 mm, 7 mm og 8 mm. UltraCor, en nesten helt ny profil laget for å benyttes i konstruksjoner med spenn på over 30 meter. UltraCor har en korrugering på hele 500 mm x 245 mm og leveres av ViaCon i tykkelser mellom 7 mm og 12,5 mm.. 6.

(14) Den økte høyden på tverrsnittet gjør at SuperCor og UltraCor har svært mye bedre momentkapasitet enn den tradisjonelle MP200-profilen, i tillegg gir det økte tversnittsarealet økt trykkapasitet.. FIGUR. 1-4: K ORRUGERINGER. 1.1.5 Archingeffekten Archingeffekten er et fenomen som oppstår på grunn av setningsforskjeller mellom kulverten og omkringliggende masser. Dette danner skjærspenninger i jorda. Archingeffekten kan deles inn i positiv og negativ arching. Positiv arching betyr at sjiktet der kulverten befinner seg får større setninger enn de omkringliggende massene. På grunn av dette dannes det skjærspenninger som følge av friksjon mellom jordmassene, se figur 1-5 nedenfor. Denne skjærspenningen prøver enkelt sagt å utligne setningsforskjellen og holder dermed igjen massene som ligger direkte over kulverten. På denne måten vil belastningen som påføres kulverten avta da de omkringliggende massene tar opp en del av vekten til massene som ligger direkte over kulverten. Der negativ arching oppstår snus dette bildet rundt. Her er det da de omkringliggende massene som får størst setninger og massene over kulverten som prøver å holde igjen de omkringliggende. Som en følge av dette blir det her større belastning på kulverten enn hva massene som befinner seg direkte over kulverten antyder [7].. Arching oppstår dog ikke over hele kulvertens bredde. Det oppstår kun arching i en sone lokalt over toppen på kulverten [7]. Som man ser av figur 1-5 nedenfor, så oppstår det to krysningspunkter mellom den originale formen og formen den får når tilbakefyllingen er utført. Det er disse krysningspunktene som forteller hvor positiv og negativ arching oppstår for kulverten. Positiv arching oppstår i den midtre delen der man ser av figuren at røret er mer nedbøyd enn i den opprinnelige formen. Her blir det større setninger over 7.

(15) røret enn i de omkringliggende massene og det fremkaller positiv arching. På sidene av de to krysningspunktene ser man at røret presser seg ut mot massene. Negativ arching oppstår langs kantene av kulverten fordi massene på sidene presses opp samtidig som massene direkte over kronen setter seg.. FIGUR. 1-5: ARCHING-EFFEKTEN PÅ EN FLEKSIBEL KULVERT. FIGUR 1-6: ARCHING-EFFEKTEN PÅ EN STIV KULVERT; STIPLETE LINJER ILLUSTRER SETNINGER. 1.1.6 Samvirke Fleksible kulverter utnytter samvirket som oppstår mellom kulvert og de omkringliggende massene. Når kulverten deformeres som følge av lastene på toppen av røret, presses kulvertens vegger utover mot massene. Veggenes deformasjon mobiliserer et passivt jordtrykk i massene (se figur 1-7) , noe som er helt avgjørende for å støtte opp konstruksjonen. På denne måten er det derfor ikke kulverten alene som bærer lasten, men 8.

(16) det er samvirket mellom jord og kulvert som sammen tar hånd om belastningene. Det er derfor svært viktig å bruke gode masser i omfyllingen, og å være svært nøye i komprimeringen. Der hvor overdekningen på kulverten er tilstrekkelig stor vil i tillegg vertikalbelastningene på kulverten fordeles så jevnt utover at momenter ikke vil belaste ringen i noen betydelig grad [7].. FIGUR. 1-7: KRAFTFORDELING FOR EN FLEKSIBEL KULVERT. Stive konstruksjoner er i motsetning til de fleksible konstruksjonene, ikke avhengig av samvirke med omkringliggende masser. Her er det kulvertkonstruksjonen som bærer hele belastningen selv, uten hjelp av de omkringliggende massene. I tillegg forekommer det negativ arching som øker belastningen over hele kulvertens bredde, dermed blir lasten større enn vekten av massene. Dette skyldes, som nevnt over, at betongen er et mye stivere materiale enn de omkringliggende massene. Man kan dog få tvunget fram en positiv arching over stive konstruksjoner ved å legge inn et lag med kompressibelt materiale direkte over kulverten. Her er det ofte brukt løst lagrede masser eller EPS [7]. Metoden med kompressibelt materiale over kulverten vil det ikke bli sett på i denne bacheloroppgaven.. 9.

(17) 1.1.7 Levetid Det ble tidligere bygd en del stålkulverter for vanngjennomløp i Norge. Det ble hevdet av produsentene at de skulle ha 50/100 års levetid, men mange måtte rives etter bare noen få tiår grunnet problemer med korrosjon, de hadde rett og slett rustet i stykker.. FIGUR. 1-8: S TÅLKULVERT ANGREPET AV KORROSJON (B ILDE: V EGVESEN .NO [8]). Korrosjonsproblemene har ført til at Vegdirektoratet har bestemt at man ikke lenger får bygge stålkulverter hvor stålet er i kontakt med vann, man må isteden benytte seg av halvrør/hvelv plassert på langsgående betongfundamenter [6]. Når stålet ikke er i kontakt med vann er ikke korrosjon noe problem. Bruken av betongfundamenter fører imidlertid til noen negative konsekvenser som f.eks.: forlenget byggetid, økt CO2-avtrykk, økte kostnader osv. I tillegg så kan det oppstå problemer med setningsforskjeller mellom betongfundamentene, og det stilles større krav til god bæreevne i massene.. FIGUR. 1-9: S TÅLHVELV FUNDAMENTERT PÅ BETONGFUNDAMENTER (B ILDE: VIAC ON [9]) 10.

(18) Det finnes flere metoder for å beskytte stålkulvertene mot korrosjon. Tradisjonelt har stålet kun fått påført ett tynt lag med sink gjennom varmforsinking, uavhengig av om kulverten skal ha vanngjennomstrømning eller ikke. En nyere metode for å beskytte konstruksjonen i vann er å påføre et lag med polymer på utsiden av sinkbelegget. I tillegg til den økte beskyttelsen av polymeren alene, vil det oppstå en synergivirkning mellom sinken og polymerbelegget slik at levetiden tilsammen blir bedre enn summen av de to beleggene hver for seg. !" = $ &!'( + !* +. Hvor: !" = ,-./0 0121.34 $ = 5671893:/;.-8 (=8/ >/. 1.5 .30 2.0) !'( = !121.34 − 537; !* = !121.34 − F-06G18. FIGUR. 1-10: P OLYMERBELAGT ("TRENCHCOAT ") STÅLKULVERT (B ILDE: VIAC ON [10]). Sintef har konkludert med at minst 100 års levetid er rimelig å anta som et forsiktig anslag for en sink- og polymerbelagt stålkulvert kontinuerlig neddykket i vann, så lenge man unngår sår og skader i belegget [11]. Dette er også hevdet av Corrugated Steel Pipe Institute [12].. 1.1.8 Konstruksjonsmetoder - Plast Det har fra tidligere vært en usikkerhet knyttet til hvilken E-modul man skal benytte i beregninger for plastrør, korttids E-modul eller langtids E-modul. Dette skyldes at 11.

(19) spenning-tøynings diagrammet til plastrør viser en synkende E-modul over tid, noe som kan tyde på et materiale som mister styrken om elastisk teori er benyttet. Denne teorien stemmer ikke for PE rør da de regnes som viskoelastisk. En studie ble derfor utført ved Universitetet i Massachusetts for å teste virkningen av tid på E-modulen til PE rør. Her kom det fram at E-modulen synker over tid, men om man tilførte en ny last underveis i dette forsøket, til en vilkårlig tid, så reagerte PE røret på denne belastningen med sin opprinnelige E-modul. Denne E-modulen begynte så å synke igjen ettersom lasten ble stående på over tid. Det samme skjedde de påfølgende gangene hvor belastningen ble økt. Denne oppførselen for E-modul knyttet til last og tid er med på å understreke at PE rør derfor ikke mister styrke over tid og at det er et viskoelastisk materiale. Det ble derfor etablert en langtids og en korttids E-modul som begge benyttes i detaljerte beregninger [1].. Dimensjonering av plastrør er utført med utgangspunkt i et ferdig dimensjonert plastrør av typen Weholite DN3000 SN4 [13]. Røret er fra før dimensjonert av Uponor AS i dataprogrammet ROR hvor det er utført FEM-analyse (elementmetoden). Det vil gjøres en forenklet håndberegning av røret basert på Janson og Molin [14] i regnearket PTC Mathcad. Denne beregningen sammenlignes med FEM-analysen for å få et sammenligningsgrunnlag mellom de to metodene.. Nødvendige parametere for utførelse av håndberegninger hentes fra utskriften av FEManalysen for røret [13].. Håndberegningen av røret omhandler kun deformasjon og knekking. Sammenligningen gjøres av den grunn utelukkende for dette. FEM-analysen gir i tillegg til dette en analyse av opptredende spenninger på røret.. 1.1.9. Konstruksjonsmetoder - Stål. 1.1.9.1. KTH-Metoden/Rapport 112. "KTH-metoden" er en metode for dimensjonering av samvirkekonstruksjoner i korrugert stål og løsmasser, utarbeidet av Lars Pettersson og Håkan Sundquist ved Kungliga Tekniska högskolan i Stockholm. Metoden er beskrevet i rapport 112, som ble utgitt i 12.

(20) femte utgave i 2014. Metoden er nå helt tilpasset og i henhold til Eurokode 3 – "Prosjektering av stålkonstruksjoner" og Eurokode 7 – "Geoteknisk prosjektering av bygg- og anleggskonstruksjoner". Det medfører blant annet at metoden legger til rette for korrekt bruk av norske/europeiske partialfaktorer og laster. KTH-metoden er i dag den foretrukne dimensjoneringsmetoden ved prosjekter i Norge og den eneste som er omtalt i Statens vegvesen sine håndbøker.. Store deler av grunnlaget for KTH-metoden er basert på J.M. Duncans arbeid med Soil Culvert Interaction, ofte kalt SCI metoden [15].. Metoden kan i grove trekk deles opp i følgende beregningstrinn: 1. Bestemme normalkreftene fra omfyllingsmassene. 2. Bestemme den jevnt fordelte lasten fra trafikk. 3. Bestemme konsentrerte trafikklaster. 4. Bestemme en ekvivalent linjelast fra trafikk, og normalkraften fra trafikk. 5. Bestemme den dimensjonerende normalkraften. 6. Bestemme momenter fra omfyllingsmassene. 7. Bestemme momenter fra trafikk. 8. Bestemme den dimensjonerende momentvirkningen. 9. Kontrollerer kapasiteten i bruksgrensetilstanden (2 kontroller). 10. Kontrollerer kapasiteten i bruddgrensetilstanden (5 kontroller). 11. (Kontrollerer for utmatting) – utelatt i denne oppgaven. 12. Kontrollerer kapasiteten i byggefasen.. Ingen av de andre metodene omtalt i denne oppgaven tar for seg trafikklaster like detaljert som KTH-metoden. Å beregne dimensjonerende trafiklaster er komplisert og krever beregninger av svært mange forskjellige punkter og lasttillfeller, bare det å finne riktig trafikklast tar over tyve sider i beregningsrapporten som ViaCon/Sweco har utarbeidet for 13.

(21) Kåterudprosjektet. I våre egne beregninger har vi derfor tatt enkelte delresultater fra trafikklasteberegningen fra ViaCon/Sweco som vi har beregnet videre på selv.. KTH-metoden er den klart mest omfattende og detaljerte metoden for prosjektering av samvirkekonstruksjoner i stål som er vanlig å bruke i dag, med unntak av dataverktøy som benytter seg av elementmetoden, såkalt FEM-analyse.. 1.1.9.2. Den canadiske metoden. Denne dimensjoneringsmetoden kommer fra "The Canadian Highway Bridge Design Code (CHBDC)", og er beskrevet i "Handbook of Steel Drainage and Highway Construction Products" [16]. Metoden er basert på, og erstatter, de eldre "Ontario Highway Bridge Design Code" og "Design of Highway Bridges Standard".. Metoden baserer seg på kontroll av konstruksjonen i bruddgrensetilstanden (ULS), og består av følgende steg: 1. Kontrollere minste tillatte overdekning. 2. Bestemme belastingen fra permanente laster. 3. Bestemme belastingen fra variable laster (trafikklast). 4. (Bestemme eventuelle seismiske laster) – utelatt i denne oppgaven. 5. Bestemme total belastning, inkludert partialfaktorer. 6. Bestemme opptredende trykkspenning i stålet. 7. Bestemme stålets trykkapasitet. 8. Kontrollerer styrken i konstruksjonsfasen. 9. For dype korrugeringer: Kontroll av interaksjon for aksialtrykk og moment. – Ikke relevant i valgt beregningseksempel. 10. Kontroll av plateskjøter. 11. Kontroll av maksimal forskjell i platetykkelser. 12. Kontroll av kulvertens radier. 14.

(22) Når det gjelder trafikklaster skiller metoden og kjøretøyene beskrevet i den canadiske metoden seg fra norske standarer og håndbøker. Vi har derfor tatt kjøretøydimensjoner fra håndbok N400 og aksellaster fra NS-EN 1991-2 og «Trafikklastforskrift for bruer m.m.», disse har vi siden tilpasset så godt som mulig til den canadiske metoden.. FIGUR. 1-11: D IMENSJONERENDE KJØRETØY (FIGUR HENTET FRA SVV N100 [17, S . 154]). FIGUR. 1-12: F OTAVTRYKK - LASTEBIL. Metoden skiller seg fra "KTH-metoden/Rapport 112" på flere områder, men en forskjell er spesielt viktig. Den canadiske metoden velger å neglisjere virkningen av moment på normale korrugeringer (opp til MP200) så lenge overdekningen er større enn minimum beregnet i punkt 1. Dette gjør at den canadiske metoden er raskere og mindre omfattende enn rapport 112, men forenklingen fører også til at den totale beregnede belastingen på kulverten blir lavere og dermed mindre konservativ, spesielt ved lave overdekningshøyder. Mange mener at denne metoden ikke er presis nok, og derfor er 15.

(23) rapport 112 den foretrukne metoden for dimensjonering i Norge. Den canadiske tar heller ikke hensyn til utmatting.. 1.1.9.3. Soil Culvert interaction. Metoden kalt "Soil Culvert Interaction" er en rask og enkel metode for å dimensjonere stålkulverter, utgitt av JM Duncan i 1978. Ved relativt store overdekningshøyder er det en enkel betraktning av trykkrefter i kulverten fra omfyllingsmassene og trafikklaster. Ved mindre overdekningshøyder (mindre enn en fjerdedel av kulvertens bredde) er den litt mer omfattende, da man i tillegg må ta hensyn til bøyemomentene som oppstår, men det er fortsatt en relativt enkel metode for dimensjonering.. SCI-metoden er basert på analyser av resultater fra gjentatte FEM-analyser på flere ulike samvirkekonstruksjoner, samt feltmålinger og fullskalaforsøk.. Metoden består av følgende beregningstrinn: 1. Trafikklast beregnes. 2. Dimensjonerende aksialkraft beregnes. 3. Aksialkapasiteten beregnes. 4. Kontroll for aksialkraft. 5. Dimensjonerende moment beregnes. 6. Momentkapasitet beregnes. 7. Kontroll av moment.. 1.1.9.4. Ring Compression Theory. Dette er en metode utarbeidet av White og Layer i 1960. Dette er en forenklet metode for dimensjonering av korrugerte stålkulverter hvor god komprimering av omkringliggende masser og tilstrekkelig overdekning er avgjørende, minimum 1/8 av diameteren på røret er kravet. Der dette er tilfellet kan man se på kulverten som en tynn ring i trykk. Det forutsettes da at lastene som opptrer på røret fordeles jevnt gjennom overdekningen og ned til hver av de to veggene gjennom overdekningen. Den opptredende kraften 16.

(24) kontrolleres så kun for flytning i stålet og kapasitet i bolteforbindelsene. Det stilles ikke krav til flere kontroller, f.eks. kontroll av momentkapasitet, da man anser disse lastvirkningene som neglisjerbare [7].. Der hvor denne metoden eventuelt skal benyttes som eneste dimensjonerende metode er det ekstremt viktig å følge med på, og kontrollere at entreprenør benytter masser av god nok kvalitet og at massene komprimeres i stor nok grad [18]. Metoden blir dog ikke benyttet til dimensjonering i Norge da den blir sett på som for enkel.. Det er her valgt å benytte en trafikklast på totalt 30 kPa [19]. Denne verdien er brukt da det ikke er en spesifikk metode for å beregne trafikklaster gitt i denne beregningsmetoden.. Beregningsrekkefølge: 1. Kontrollerer gyldighetsområde. 2. Beregner trafikklast. 3. Beregner opptredende trykk. 4. Kontrollerer boltekapasitet. 5. Kontrollerer mot flytning.. Der denne metoden skal benyttes er det viktig å ta med i betraktningen at Ring Compression Theory ikke tar hensyn til de massene som ligger rundt røret, men at det kun er massene som ligger over den såkalte kronen til røret som blir inkludert i beregningen. Når overdekningen er såpass liten som den er i dette tilfellet, vil massene som ligger under kronen, men rundt røret, utgjøre en ganske betydelig del av massenes vekt.. 1.1.9.5. NTH metoden. En stålkulvert er som nevnt tidligere en konstruksjon som er helt avhengig av samhandlingen mellom omkringliggende masser og stålet i selve kulverten. Det kreves gode fyllmasser og komprimering av massene slik at man får et godt samarbeid mellom 17.

(25) massene og stålet så en god kraftdistribusjon forekommer. Det å designe en slik konstruksjon krever en dypere innsikt i hvordan dette samarbeidet opptrer for den enkelte kulvert. Den eneste måten å få en tilstrekkelig innsikt i dette på, er å benytte seg av en FEM-analyse [7].. NTH metoden er utarbeidet som en forenklet metode til bruk ved sammenligning med FEM-analyser. Denne forenklede metoden har som oppgave å verifisere beregningene fra en FEM- analyse. Metoden er utarbeidet med bakgrunn i mange års feltforsøk hvor man har fått resultater som peker i den retning at fleksible kulverter bærer laster hovedsakelig gjennom trykk i ringen. Det forutsettes at kulverten har en god overdekning og at de omkringliggende massene er av god kvalitet og er godt komprimert. Der hvor dette er tilfellet kan man da se bort ifra momenter og deres effekter på stålet så lenge kulverten tåler trykkreftene som oppstår [7].. Det er også her, som for Ring Compression Theory, valgt å benytte en trafikklast på 30 kPa [19]. Dette er gjort fordi det ikke er angitt en metode for å beregne dimensjonerende trafikklaster i denne metoden.. Beregningsrekkefølge: 1. Beregne vertikal skjærkraft. 2. Beregne vekt av overliggende masser. 3. Beregner total aksialkraft per vegg. 4. Kontrollerer for flytning. 5. Kontrollerer plateskjøtens styrke.. 1.1.10 Klimapåvirkning Byggebransjen er en stor kilde til drivhusgasser. Samfunnets økende fokus på klimautfordringer fører til at byggebransjen også presses til å gjøre endringer. Vi skal derfor studere miljøkonsekvensene som fører med de ulike kulvertkonstruksjonene. Det blir sammenlignet en tradisjonell betongkulvert med alternativer i plast og stål. Dette gjøres fra vugge til byggeplass. 18.

(26) Broer er en viktig del av samferdselsnettverket. Samtidig er det en type konstruksjon som krever mye råmaterialer og energi, spesielt i byggefasen [20]. Den vanligste brotypen er de mindre betongbruene, såkalte betongkulverter.. Livssyklusanalyse er en standardisert og systematisk metode for å kartlegge påkjenningen på miljøet fra et bestemt produkt eller en tjeneste gjennom hele levetiden. Alt fra uttak av råmaterialer, produksjon, bruk og vedlikehold frem til slutten av livssyklusen. ISO standardene som er utarbeidet fungerer som en veiledning fremfor retningslinjer som må følges. En livssyklusanalyse består av fire faser: mål og omfang, LCI, LCIA og tolkning [21].. 1.1.11 Byggetid Byggetid omfatter all tid fra man setter spaden i jorda for første gang til prosjektet er ferdig og overlevert til byggherre. Mange prosjekter involverer veg eller bane og derfor er ofte byggetid noe som vektes høyt. Det å stenge en veg eller bane forårsaker gjerne relativt omfattende tiltak som f.eks. at en ny omkjøringsveg må tilrettelegges eller at det må settes inn buss for tog over en strekning.. FIGUR. 1-13: M ONTERING AV KULVERT PÅ H ELGELAND (B ILDE: VIAC ON [9]) 19.

(27) En kort byggetid er også å etterstrebe da dette medfører kortere tid hvor maskiner er på prosjektet. Dette kan føre til at prosjektet får et lavere CO2-fotavtrykk, kortere støyperiode og i tillegg lavere kostnad for prosjektet.. 1.1.12 Byggekostnad Prosjektet blir lagt ut i enten en åpen eller begrenset anbudskonkurranse. Entreprenørene lager seg et pristilbud på grunnlag av det som er beskrevet i anbudsinnbydelsen. Samtlige offentlige oppdrag blir kunngjort i databasen for offentlige innkjøp, Doffin. Anbudene som er basert på konkurransegrunnlaget leveres i en lukket konvolutt innen fristen utgår. Etter dette kan ikke anbudet endres eller tilbakekalles.. Ved valg av anbud spiller normalt pris den viktigste rollen. For at en anbyder skal bli valgt ut i fra de gitte krav, er det som regel de med laveste tilbud som vinner anbudet. Derfor er det viktig at entreprenørene har de laveste innkjøpsavtalene og generelt er billigst. Unntaket er ved prosjekter som må sluttstilles på kort tid. På slike prosjekter er tid viktigere enn penger. Det store fokuset på pris kan i noen tilfeller gå utover kvaliteten på arbeidet.. Påslaget er entreprenørens faktor for interne kostnader, risiko og fortjeneste. Interne kostnader inkluderer bedriftens faste kostnader. Risiko og fortjeneste er basert på hvor komplisert prosjektet er. Hvis entreprenøren er usikker på et anbud, og vurderer det som risikofylt, vil det være naturlig for anbyderen å bruke et høyt påslag.. Byggekostnaden omfatter alle de ulike operasjonene i byggeprosessen. Dette inkulderer mannskap, verktøy, maskiner, masser og materialer m.m. Vi har valgt å begrense oss til de operasjonene som kun omhandler bygging av kulvert.. 20.

(28) 1.1.13 Estetikk 1.1.13.1 Endeavslutninger/Portaler. Endeavslutningen på en kulvert vil bli den mest synlige delen av konstruksjonen, og er med det kanskje det viktigste for den totale estetikken til prosjektet. I tillegg til å være estetisk tilfredsstillende, stilles det en del funksjonskrav til endeavslutningene. For eksempel så stiller vegvesenets håndbok N400 krav til at det skal være en krage med minimum høyde på 300 mm når det er fylling over kulverten. Kravet om krage er for å forhindre nedfall av stein og masser på veien under, med de farer det kan medføre. Av estetiske grunner blir ofte rørenden belagt med betong eller stein når man bygger kulverter av stål eller plast.. Kulvertportalene kan deles inn i to kategorier: avslutninger som går normalt på kulvertens retning, og avslutninger med støttemurer som går parallelt med kulvertens retning [22].. 1.1.13.1.1 Avslutninger normalt på kulvertens retning. Disse avslutningene kjennetegnes av bratte avslutninger vinkelrett på kulvertaksen. Vinkelrette avslutninger er nyttig i byer og andre områder hvor det er knapt med plass, fordi disse gir kortest mulig gjennomløp i fyllingen. De gir også en følelse av åpenhet i portalen og mye naturlig lys, samt et stramt og rent uttrykk.. FIGUR. 1-14: AVSLUTNING NORMALT PÅ KULVERTAKSEN (B ILDE: S TATENS VEGVESEN/VEGDIREKTORATET [22, S . 10]). De rette støttemurene kan bygges opp med betong, gabioner, naturstein etc. Nærmere beskrivelse av de forskjellige løsningene følger under: 21.

(29) Gabioner Gabioner er prefabrikkerte kurver laget av stålnetting som fylles med stein. Kurvene transporteres ofte sammenslått til byggeplass hvor de monteres raskt og fylles på stedet. Dette gjør at transportkostnadene holdes lave og byggetiden kort. Stålkurvene er korrosjonsbehandlet slik at levetiden ikke er noe problem ved normale forhold.. En mulighet som har blitt mer vanlig de siste årene er å fylle gabionene med knust betong fra gamle konstruksjoner som ellers hadde blitt deponert. Gjenbruk av betong gir også en positiv miljøeffekt ved at man akselererer karbonatiseringsprosessen, som er en prosess som binder CO2 fra luften. Man reduserer også naturinngrep og energiforbruk som man ellers ville fått hvis man skulle hentet stein på tradisjonelt vis.. FIGUR. 1-15: STØTTEMUR AV GABIONER (B ILDE: VIAC ON [9]). Naturstein/Jordarmering Støttemurer kan også bygges som tørrmurer i naturstein. Naturstein har lange tradisjoner i Norge, og vil i mange tilfeller gi et naturlig og pent utseende [23]. En tørrmur bygges med slak helling innover slik at den er bærende uten bruk av mørtel. Hvis ikke muren i seg selv har god nok bæreevne kan man benytte jordarmering i fyllingen [23]. Hvis man 22.

(30) utfører jordarmeringen på en god måte vil fyllingen være selvbærende og muren vil kun ha en estetisk funksjon, og kan i teorien sløyfes. Det er også vanlig å bruke jordarmering i sammenheng med støttemurer av gabioner.. Betong Ved plasstøpte betongkulverter er det mulig å støpe en plasstøpt støttemur. Dette gir en solid og fin støttemur, men er en dyr løsning med lang byggetid.. 1.1.13.1.2 Støttemur parallelt med kulvertens retning. Disse avslutningene kjennetegnes typisk av slakere skråninger og i noen tilfeller en skråskåret kulvert. Denne løsningen tar større plass enn løsningen med avslutning normalt på kulvertens lengderetning, men gir til gjengjeld ett mykere utseende som i mange tilfeller vil gli mer naturlig inn i omgivelsene.. FIGUR 1-16: AVSLUTNING PARALLELT MED KULVERTAKSEN (B ILDE : STATENS VEGVESEN/V EGDIREKTORATET [22, S . 11]). Vingemurer i betong Vingemurer i prefabrikkert betong har lenge vært brukt som en rask og enkel løsning for endeavslutninger på de enkleste betongkulvertene. Svært mange av disse har hatt mangelfull utførelse og er lite estetiske. Vingemurer i betong er dårlig egnet til å kompensere for setningsforskjeller, og ender i mange tilfeller opp med sprekker og 23.

(31) steinras i større eller mindre grad [22]. Sprekkene trenger ikke nødvendigvis å ha noen umiddelbare konsekvenser for konstruksjonen, med det kan gjøre det innstøpte armeringsstålet mer eksponert for vann og mineraler, f.eks. fra veisalting. Sprekker i betongen er heller ikke heldig for utseendet.. Gabioner Gabioner kan også brukes i tilfeller hvor støttemuren(e) følger kulvertens lengderetning, enten alene eller i kombinasjon med jordarmering. Gabioner vil i mange tilfeller være en bedre løsning enn vingemurer av betong. De er mer føyelige og vil av den grunn ikke få sprekker hvis det oppstår setningsforskjeller. Mange vil også mene at gabionvegger ser mer naturlige ut enn betongmurer.. FIGUR 1-17: L ANGSGÅENDE GABIONSTØTTEMURER (B ILDE: VIAC ON [9]). Skråskåret kulvert. FIGUR. 1-18: SKRÅSKÅRET KULVERT (B ILDE: VIA CON [9]) 24.

(32) Når man har valgt en løsning med kulvert laget av plast eller stål har man mulighet til å skråskjære enden på røret slik at den følger terrengets naturlige helning. Enden på røret kan enten dekkes av en enkel gummilist eller en prefabrikkert stålkrage, eller man kan velge en dyrere og mer estetisk løsning med stein eller betong. Mange vil mene at et skråskåret rør er den beste løsningen med hensyn til estetikk. Røret skråskjæres på fabrikk, så løsningen er relativt enkel og meget rask å montere på byggeplass.. FIGUR. 1-19: SKRÅSKÅRET KULVERT MED. PREFABRIKKERT STÅLKRAGE (B ILDE: V IA C ON. FIGUR. [9]). 1-20: E NDEAVSLUTNING MED GABIONER (B ILDE: VIA CON [9]). NEDERST OG STEIN I SKRÅNING. 1.1.13.2 Belysning. Ofte blir kulvertene utstyrt med lys innvendig og utvendig. Innvendig belysning får frem kulvertens kurvatur i terrenget. Lyset gjør kulverten mer åpen og trygg. Trafikanter vil føle seg tryggere i en opplyst kulvert med fullstendig gjennomsyn. I dag utrustes kulvertene med moderne og kraftige lys, som gjerne kan skjules. Utvendig belysning lyser opp inngangen til kulverten. Dette velges som regel der kulvertens portal vil belyses.. FIGUR. 1-21: B ELYSNING (B ILDE: VIAC ON [24]) 25.

(33) 1.2 Avgrensninger Rør med innvendig diameter større enn 2500 mm blir definert som en brukonstruksjon, og må dermed prosjekteres etter andre regler og normer enn mindre rør, det er derfor naturlig å avgrense oppgaven til å kun omhandle rør større enn 2500 mm. Største diameter for plastrørene begrenses til 3500 mm, som er det største de fleste leverandører kan produsere. Stålrør kan leveres i langt større dimensjoner.. Oppgaven skal i hovedsak omhandle fleksible rør av plast (PEHD) og stål, men resultatene vil bli sammenliknet med tilsvarende, stive konstruksjoner av betong.. Vi har på bakgrunn av litteraturstudier og samtaler med veiledere valgt ut følgende dimensjoneringsmetoder som de mest relevante. For stålkulverter: •. Rapport 112/"KTH-metoden" [25].. •. "NTH-metoden" [7].. •. "Soil-Culvert Interaction" [15].. •. Canadian Highway Bridge Design Code/"CHBDC" [16].. •. "Ring Compression Theory" [26].. Og for plastrør vil vi benytte følgende dimensjoneringsmetoder: •. "Design and Installation of Buried Plastics Pipes" [14].. •. FEM-analyse i programmet ROR [13].. Vi begrenser oss til å kun benytte gode omfyllingsmasser, fordi denne typen konstruksjoner stiller store krav til høy kvalitet på massene. I Norge er knuste masser typisk brukt. Vi velger også å se bort ifra seismiske laster og dimensjonering med tanke på utmatting.. 26.

(34) Noen av dimensjoneringsmetodene tar også hensyn til kulvertens styrke og stabilitet underveis i byggeperioden, men siden ikke alle gjør det har vi valgt å fokusere på resultatene når kulverten er ferdig bygd i hoveddelen av oppgaven. Resultatene for byggeperioden kan sees i vedleggene for de respektive beregningsmetodene.. Vi har ikke tilgang på programvare slik at vi får utført en detaljert LCA. Det har derfor blitt utført et overslag på det globale oppvarmingspotensialet fra byggematerialene i tilvirkningsfasen og transport til byggeplass basert på data fra EPD-er. Dette gir ikke en komplett oversikt over miljøpåvirkningene fra kulvertene, men gir oss et sammenligningsgrunnlag. Endeavslutninger er det heller ikke tatt hensyn til grunnet alle de ulike variantene disse kan bygges i. Stålrørets eventuelle anti-korrosjonsbehandlig er ikke tatt med i beregningene, grunnet mangel på data.. For byggetid og byggekostnad velger vi å se bort ifra grunnarbeider da den tiden/kostnaden som forekommer her vil bli tilnærmet lik for alle tre alternativene. Mannskapskostnadene er gjort som et enkelt overslag. Prisene som er regnet ut gir ikke et helhetlig bilde av kostnadene, men de gir et sammenligningsgrunnlag innad i oppgaven. Angående betongkulverten er det sett bort i fra ekstraarbeider knyttet til vinterstøp.. 1.3 Problemstilling Hva er forskjellene mellom de ulike håndberegningsmetodene for samvirkekonstruksjoner av stål? Er det i noen tilfeller tilstrekkelig å bruke en av de forenklede metodene, eller bør det alltid prosjekteres etter den mer omfattende rapport 112?. Hvordan blir resultatene av håndberegningsmetoden etter Janson og Molin [14] med tanke på knekking og deformasjon sammenlignet med FEM-analyse utført med programmet ROR?. 27.

(35) Er stål- og plastkulverter bedre enn tradisjonelle betongkulverter med tanke på klimapåvirkning, kostnader og byggetid?. 2 Metode 2.1 Konstruere data/fremskaffe informasjon Beregningsark for de ulike konstruksjonsmetodene er utarbeidet i «PTC Mathcad». Dette programmet er brukt da det er et brukervennlig beregningsprogram som tar hånd om benevninger og dermed gir en større sikkerhet mot feil. Deretter har det blitt lagt inn verdier hentet fra virkelige prosjekter vi har fått av ViaCon AS (stål) og Statens vegvesen (plast). Disse verdiene er brukt for å skape et så godt som mulig sammenligningsgrunnlag på tvers av de ulike metodene.. Klimavurderingen er gjort på bakgrunn av beregninger i Microsoft Excel. Først ble mengdene av hvert enkelt delmateriale beregnet. Deretter samlet vi inn EPD-er for de forskjellige delkomponentene, og hentet ut verdien for det globale oppvarmingspotensialet (GWP) i fasene fra råmaterialer (A1) til og med transport til byggeplass (A4). For mange av komponentene er det ikke utarbeidet EPD-er, dermed måtte vi bruke tall fra tilsvarende komponenter, eller i noen tilfeller anta en verdi.. Det ble så regnet ut det totale globale oppvarmingspotensialet for hvert enkelt kulvertalternativ. Til slutt ble det utført en sammenligning av alternativene, og vurdert hvilket som er mest klimavennlig.. For vurderingen av byggekostnader er det utført en kalkulasjon på betongkulverten i Microsoft Excel. Kalkulasjonen baserer seg på ytelser, dvs. hvor mange timeverk som brukes per enhet (f.eks. tv/m2), hentet fra blant annet forelesninger i faget «Prosjektadministrasjon i bygg og anlegg» [27]. Material- og timespriser er i stor grad basert på erfaringstall vi har fått i samtale med entreprenøren Veidekke. Den anslåtte totalprisen for betongkulverten er deretter sammenlignet med det faktiske tilbudet på plastrør som ble gitt til Statens vegvesen [28], og et prisanslag på stålrør fra ViaCon AS [29]. 28.

(36) 2.2 Troverdighet og gyldighet av dataene Det stilles her en usikkerhet til trafikklast. Dette skyldes at et par av metodene mangler en definert måte å beregne trafikklaster på. Der det er tilfellet har det blitt gjort en vurdering på hvilken av de kjente metodene det er som egner seg best i forhold til denne metoden. For Ring Compression Theory og NTH-metoden har det blitt benyttet en fastsatt verdi for trafikklaster fra «Trafikklast forskrift for bruer m.m.» på totalt 30 kPa [19]. For plastrøret på Ramsås har det blitt benyttet en beregning for trafikklast som gitt i FEM-analysen. Dette er gjort fordi en beregningsmetode for trafikklaster mangler.. Beregningsmetodene som er benyttet for konstruksjonsberegningene er hovedsakelig ferdig utarbeidet og klare til bruk. Til tross for dette finnes det noen få deler hvor det har vært nødvendig å tilpasse eller gjøre egne vurderinger av situasjonen. Her har det etter beste skjønn blitt gjort de nødvendige vurderingene. Dette er noe som kan føre til en viss usikkerhet rundt resultatene i beregningene.. Beregningsmetodene for utregning av klimagasspåvirkning er bygd opp ut ifra hvordan EPD-ene er satt opp. Det er derfor ikke benyttet et standardisert oppsett for utregning av klimapåvirkningen. Dette kan føre til noe avvikende resultater.. Det finnes ikke EPD-er for alle produktene som blir benyttet til konstruksjon av kulvertene det er sett på. Det har av den grunn blitt benyttet EPD-er fra andre produkter med nogenlunde tilsvarende egenskaper. Dette medfører at CO2-ekvivalentene som er benyttet, ikke tilsvarer det reelle tallet for kulvertene det er sett på. Produksjonen av den benyttede strømmen bygger muligens ikke på samme ressurser. Dette kan bety at strømmen muligens har en skitnere eller renere profil. Selve produksjonsmetodene vil også avvike da de benyttede EPD-ene stammer fra andre typer produkter med ulik utforming, f.eks. stålbjelker.. Analysen fra Cardiff [30] av plastrør tar ikke for seg rør helt opp til 3000 mm, så her ekstrapolerte vi opp GWP-en for å kompensere. Dette fører til et noe unøyaktig tall, men det vil gi oss en indikasjon om hvordan tallet vil se ut. I tillegg er det kun sett på selve 29.

(37) betongkulverten. Lastfordelingsplaten i begge ender er ikke tatt med i beregningene. Dette ville ført til et enda høyere tall for betong.. Belegget som omslutter stålrøret for å beskytte mot korrosjon har ikke blitt tatt med i beregningene av klimagasspåvirkningen. Hadde dette vært inkuldert ville det ført til en noe høyere verdi.. Byggetid har blitt vurdert ut ifra en litteraturstudie. Noen av kildene er av en litt eldre årgang og det kan derfor ha kommet endringer i konstruksjonsprosessen som medfører et annerledes resultat enn hva vi har fått.. Beregningene som er utført for byggekostnad er gjort i et excel-ark som er opprettet av gruppen. Det er ikke satt opp etter en standard beregningsmodell og kan av den grunn medføre noe usikkerhet.. Enhetsprisene som er brukt har blitt hentet fra Veidekke og er erfaringstall. Dette er altså ikke eksakt pris for prosjektet. Ytelsen for de ulike enhetene er hentet fra en powerpoint benyttet i undervisning ved Høgskolen i Østfold. Dette er erfaringstall hentet fra prosjekter, men vil kunne variere ut i et virkelig prosjekt.. 3 Analyse/Diskusjon 3.1 Konstruksjonsmetoder - Plast Deformasjonen har i FEM-analysen blitt beregnet ut ifra den ytre diameteren. For å få et sammenligningsgrunnlag gjøres dette tilsvarende for håndberegningene.. I FEM-analysen har man fått en total deformasjon på 2,41 % av rørets ytre diameter, tilsvarende 79,98 mm nedbøyning. Av dette utgjør korttidsdeformasjonen 0,09 % tilsvarende 2,91 mm nedbøyning.. 30.

(38) I håndberegningene får man en total deformasjon på 1,7 % tilsvarende 56,066 mm nedbøyning. Av dette utgjør korttidsdeformasjonen 0,7 % tilsvarende 22,426 mm nedbøyning.. Den gir en nedbøyning som er omtrent 22 mm større enn den som kommer av håndberegningene. Korttidsdeformasjonen er derimot mye større i håndberegningene enn i FEM-analyse (opp mot 10 ganger så stor).. Dette skyldes at en del parametere utelukkes når man benytter den forenklede metoden i motsetning til når man kjører en full FEM-analyse. I all hovedsak ligger årsaken i at Emodulen til plast ved korttids- og langtidslaster, ikke tas med i beregningene når den forenklede metoden brukes. Det gjøres heller ikke forskjell på langtids og korttidslaster ved den forenklede metoden. Da korttidslastene er ca. 1/10 av langtidslastene og Emodulen for korttidslast er omtrent 1/3 av E-modul for langtidslast fører dette til et betydelig annerledes deformasjonsbilde.. For FEM-analysen er det satt et krav til nedbøyning eller deformasjon av røret lik 9 %. For håndberegningene er dette kravet gitt i to delkrav på 6 % for langtidsdeformasjon og 6 % for korttidsdeformasjon. Dette gir da et totalt øvre krav på 12 % deformasjon for håndberegningene. FEM-analysen blir da ytterligere konservativ når man da får et strengere krav kombinert med en større beregnet deformasjon.. I FEM-analysen får man en kapasitet på 969,7 kN/m og en største opptredende kraft på 100,8 kN/m.. I håndberegningene får man en kapasitet på 1 198 kPa og en største opptredende kraft på 131,6 kPa.. 31.

(39) Her vil de to beregningsmetodene sammenlignes på grunnlag utnyttingsgradene. Dette gjøres fordi man får oppgitt resultatene med ulike benevninger når man regner med håndberegning og ved FEM-analyse, noe som vanskelig gjør sammenligningen.. FEM-analysen gir 10,4% utnyttingsgrad, mens håndberegninger gir en utnyttingsgrad på 11,0%. I den forenklede metoden benyttes kun Janson sitt uttrykk for å bestemme rørledningens tangentielle knekking [14]. I FEM-analysen tas derimot flere beregningsmetoder i bruk for å få et mer konservativt anslag av kapasiteten [13]. Kontrollpunkt Deformasjon Knekking TABELL 3-1: R ESULTATER PLASTRØR. Kapasitet 12 % 1198 kPa. Opptredende belastning 1,69 % 131,6 kPa. Kontroll (Utnyttingsgrad) 28 % 11 %. 3.2 Konstruksjonsmetoder - Stål 3.2.1 KTH-Metoden/Rapport 112 Beregninger etter rapport 112 gir en normalkraft på 346.6 kN/m i bruksgrensetilstand og 443.3 kN/m i bruddgrensetilstanden. Opptredende bøyemoment i bruksgrensetilstanden blir 10,84 kNm/m og 13,64 kNm/m i bruddgrensetilstanden.. Interaksjon mellom moment og normalkrefter gir en total utnyttingsgrad på 98 % i bruddgrensetilstand. Interaksjon mellom skjærkrefter og strekk i skruene gir en utnyttingsgrad på 67,8 % i plateskjøten. Kontrollpunkt Flytning i veggmaterialet Boltforbindelse (Interaksjon) Interaksjon TABELL 3-2: R ESULTATER KTH. Kapasitet 323 MPa -. Opptredende belastning 201,6 MPa -. Kontroll (utnyttingsgrad) 62,5 % 67,8 % 98 %. 3.2.2 Den canadiske metoden Beregningene etter CHBDC gir en karakteristisk påkjenning fra permanente laster (overdekningen) på 147,5 kN per løpemeter, og 67,2 kN/m fra variable laster (trafikklast). Den totale dimensjonerende påkjenningen (inkludert lastfaktorer) blir på 319,8 kN/m, med et areal på 5,92 mm2/mm gir dette en trykkspenning på 54,0 MPa. 32.

(40) Den dimensjonerende trykkapasiteten til veggmaterialet er 173,0 MPa. Utnyttingsgraden blir dermed ca. 31 %. Se tabell 3-3 for en komplett oversikt over resultatene fra beregningene.. Kontrollpunkt Veggmateriealets trykkapasitet Plateskjøtens kapasitet TABELL. Beregnet mål/kapasitet 173,0 MPa 1029 kN/m. Faktisk mål/ opptredende belastning 54,0 MPa 267,2 kN/m. Kontroll (Utnyttingsgrad) Ok (31%) Ok (31%). 3-3: R ESULTATER CHBDC. 3.2.3 Soil-Culvert Interaction Soil-Culvert Interaction gir en permanent belastning på 168,5 kN/m fra omfyllingsmassene og en variabel last på 125,2 kN/m fra traffiklaster. Disse gir en dimensjonerende normalkraft på 293,6 kN/m.. Metoden sier at man kan neglisjere virkningen av momenter når overdekningen er minst 1/4 av kulvertens spenn. I beregningstilfellet på Kåterud er overhøyden mindre enn dette, og man må dermed beregne momenter også. Det totale bøyemomentet er i dette tilfellet 15,96 kNm/m.. Metoden setter krav til en sikkerhetsfaktor på mimium 1,5 mot brudd i skrueforbindelsen, beregningene gir en faktor på 2,9. Når det gjelder interaksjon mellom normalkrefter og moment gir beregningene en faktor på 1,93, mens metoden stiller krav til en sikkerhet på minimum 1,65. Kontrollpunkt Flytning i veggmaterialet Boltforbindelse Interaksjon TABELL 3-4: R ESULTATER SCI. Kapasitet 1910,6 kN/m 860,0 kN/m -. Opptredende belastning 293,6 kN/m 293,6 kN/m -. Kontroll (utnyttingsgrad) 23,1 % 51,2 % 85,6 %. 33.

(41) 3.2.4 Ring Compression Theory Ring Compression Theory gir en permanent belastning fra de omkringliggende massene på 84,1 kN/m og en variabel last på 94,5 kN/m. Disse to kombinert gir en total dimensjonerende last på 178,6 kN/m.. Dette gir en utnyttelsesgrad på 54,4 % for plateskjøtene og en utnyttelsesgrad på 20,8% når det gjelder flytning. Kontrollpunkt Kapasitet Flytning i veggmaterialet 1719,5 kN/m Boltforbindelse 1470,0 kN/m TABELL 3-5: R ESULTATER R ING C OMPRESSION T HEORY. Opptredende belastning 357,2 kN/m 800,6 kN/m. Kontroll (utnyttingsgrad) 20,8 % 54,4 %. 3.2.5 NTH NTH-metoden gir en permanent belastning fra tilbakefyllingsmassene på 146,7 kN/m og en dimensjonerende trafikklast på 94,5 kN/m. Dette gir en total dimensjonerende aksialkraft 241,1 kN/m.. For plateskjøtene gir dette en utnyttelsesgrad på 28 %. Med tanke på flytning i veggen blir det en utnyttelsesgrad på 12,6 % av materialets styrke. Kontrollpunkt Flytning i veggmaterialet Boltforbindelse TABELL 3-6: R ESULTATER NTH. Kapasitet 322,7 kN/m 24,12 kN. Opptredende belastning 40,7 MPa 86 kN. Kontroll (utnyttingsgrad) 12,6 % 28 %. 3.2.6 Resultatoversikt Man ser av tabell 3-7 at det er KTH- og SCI metoden som gir de høyeste utnyttingsgradene. Dette er også metodene som tar hensyn til momenter i tillegg til normalkrefter. Det er noe som kan tyde på at det vil oppstå betydelige momenter selv om man har oppfylt krav til tykkelse på overdekning for bruk av forenklede metoder. Om man sammenligner KTH og SCI med NTH, Ring Compression Theory og Canadian ser man tydelig at KTH og SCI er de mest konservative metodene. Ring Compression theory gir dog en høyere utnyttingsgrad enn Canadian og NTH. Grunnen til dette er at den valgte kontrollmetoden etter AASHTO [31] krever en sikkerhet på 3 mot svikt i plateskjøtene. 34.

(42) TABELL. 3-7: U TNYTTINGSGRADER – S TÅL. Man ser også, i tillegg til forskjeller i utnyttelsesgradene, at det er store variasjoner i opptredende krefter. Dette kan i stor grad skyldes bruken av partialfaktorer. Her er spesielt KTH-metoden veldig god da den er tilpasset de gjeldende norske standardene. De spesielt lave normalkreftene som opptrer i Ring Compression Theory skyldes som nevnt tidligere at det kun er massene som befinner seg over kronen på røret det tas hensyn til i beregningene her.. TABELL. 3-8: OPPTREDENDE KREFTER - S TÅL. 3.3 Klimapåvirkning Klimapåvirkningen for kulverten på Ramsås er beregnet ut i fra mengder som går med av materialer og tilhørende tall fra EPD-er. Det har blitt anvendt en egen EPD for hvert enkelt materiale. For hver type kulvert blir klimapåkjenningen fra alle komponentene lagt sammen og man får en total sum for hele konstruksjonen.. Røret som er konstruert er 27 meter langt og har en indre diameter på 3000 mm. For å ha noe å sammenlikne med er det konstruert en fiktiv stålkuvert og en betongkulvert i samme størrelse for å se hvilken løsning som egner seg best med tanke på miljøet.. 35.

(43) Det som blir felles for alle kulvertene er den totale lengden av konstruksjonen og masseberegningen. Massebehovet er antatt likt for alle tre alternativene, grunnet omtrent like tverrsnitt.. 3.3.1 Stålkulvert Til selve kulverten ble det benyttet en MP200 av typen VC21, inkludert bolter, muttere, krage og omfyllingsmasser. Her ble det valgt et tverrsnitt som er så lik plastrøret i størrelse som finnes i ViaCon sine kataloger. Kulverten som ble valgt har en stålkvalitet på S355, antatt tykkelse på 4 mm, diameter på 3,02 m, korrugering på 200 mm x 55 mm. Her ble det benyttet EPD fra Contiga AS for stålet [32], EPD fra Franzefoss AS for omfyllingsmassene [33] og EPD fra Isola AS for membranen [34]. Dette resulterte i et totalt utslippstall på 34486 kg CO2–ekvivalenter.. 3.3.2 Betongkulvert Betongkulverten ble konstruert ut i fra en mindre standard kulvert [35] som så ble ekstrapolert til tilsvarende størrelse som plastrøret. Veggtykkelsen ble i tillegg økt noe for å tilfredsstille dagens krav til armeringsoverdekning. Dette førte til at beregningene baseres på et likt grunnlag for alle alternativene. Mengde omfyllingsmasser ble satt lik mengdene for plastrøret. Kulverten ble beregnet ut i fra en EPD fra Velde AS [36]. Betongen som er valgt er en typisk betong Statens Vegvesen benytter i sine konstruksjoner. Til armeringsstålet ble det benyttet EPD fra Celsa AS [37]. Celsa benytter resirkulert stål, som gir et lavere globalt oppvarmingstall i forhold til de som produserer helt nytt armeringstål. Totalt havner betongkulverten på 48878 kg CO2–ekvivalenter.. 3.3.3 Plastrør Plastrøret som ligger på Ramsås ble beregnet ut i fra en analyse fra universitetet i Cardiff [30] på grunn av manglende EPD-er innenfor store plastrør. Analysen tar for seg CO2 – ekvivalenter for rør helt opp til 1800 mm, så her ble dette tallet ekstrapolert opp for å kunne beregne røret på Ramsås som er 3000 mm. Dette resulterte i et totalt oppvarmingstall på 35675 kg CO2–ekvivalenter.. 36.

(44) 3.3.4 Analyse av klimapåvirkning Man ser av det totale GWP-tallet for de forskjellige løsningene at det er stål som kommer best ut. Dette er nødvendigvis ikke det beste alternativet å bygge på Ramsås fordi det er en bekk som skal renne igjennom kulverten. Plastrøret får et tall som er veldig nære stålkulverten, så her har det veldig lite å si hvilket alternativ som blir valgt.. Betongen får et ganske høyt tall i forhold til de andre løsningene, til tross for at det ble benyttet en av de beste armeringene m.h.p GWP. Celsa hevder å være de beste i Europa på resirkulert armeringsstål, så her er det valgt en av de beste alternativene som finnes [38].. 3.4 Byggetid Normalt sett har det i Norge blitt bygd flest stive kulverter av armert betong for vegpasseringer. Disse konstruksjonene krever generelt sett mye ressurser i form av mannskap og utstyr f.eks. forskalingsplater, vibratorer osv. Selve konstruksjonen av en plasstøpt betongkulvert krever forskaling, jernbinding og utstøpning. Disse operasjonene må gjentas i flere etapper. Dette skyldes at man ikke kan bygge en plasstøpt kulvert ved en enkel storstøp grunnet hydraulisk trykk i formen, dårlige forutsetninger for at betongen fyller formen helt og vanskeliggjort komprimeringsarbeid m.m. Byggefasen må derfor deles opp i f.eks. bunnplate, sidevegger, tak og vingemurer der forskaling, armering, og støpning må gjøres minst en gang per etappe. Når man i tillegg tar i betraktning at en betongkonstruksjon må herde, kan byggetiden for en relativt kort betongkulvert for trafikkgjennomgang fort være opp imot 2-3 måneder [39]. Betongkulverter kan også plasstøpes på siden for så å trykkes på plass når byggegropa er klar, eller de kan leveres som betongelementkulverter. Dette er begge løsninger som korter ned byggetiden på byggeplass betraktelig, men det er betongelementkulverten som vil gi kortest byggetid. En betongelementkulvert vil måtte gyses sammen med skjøtejern, men disse jernene vil ikke ha kraftoverføring og man må derfor ikke vente på at mørtelen skal herde.. En korrugert stålkulvert krever mindre ressurser i form av utstyr på byggeplass, da den korrugerte stålkulverten produseres i plater på fabrikk, og kjøres i bunter til byggeplassen hvor den så monteres på stedet. Selve monteringsprosessen består bare av å bolte platene 37.

(45) sammen på stedet. Det er ingen herdetid så kulverten kan derfor dekkes til umiddelbart etter montering. Det ble f.eks. montert en 170 meter lang korrugert stålkulvert med diameter 6,47 meter i løpet av 18 dager i Fjordgård i Troms [40]. Kulverten kan også monteres på siden for så å løftes på plass der tid er en knapp ressurs.. Fleksible kulverter kan også bygges av plastrør. Disse rørene benyttes hovedsakelig som vannførende rør da det ikke er korrosjonsfare. De kan også benyttes til mindre viltunderganger/passasjer. De fleksible plastrørene kan, der lengden ikke er for lang, produseres i hele lengder på fabrikk for så å kjøres ut til byggeplass. Rørene ankommer byggeplass når byggegropa er klar og heises på plass med kran eller gravemaskin. Utførelsen blir ganske lik som for de korrugerte stålrørene som monteres på siden for så å bli løftet på plass. Det gir en meget kort byggetid og selve installasjonen av røret kan skje over noen timer.. 3.5 Byggekostnad Her har vi valgt kulverten på Ramsås, som vi befarte i April. Innenfor byggekostnad har vi valgt å se på en betongkulvert, en stålkulvert og et plastrør. Betongkulverten har vi beregnet selv etter informasjon fra blant annet Statens vegvesen og Veidekke. Vi har fått et prisestimat og en skisse fra ViaCon på stålkulverten, og Statens vegvesen har gitt oss tilgang til tilbudet på plastrøret.. Betongkulverten er en plasstøpt rektangulær kulvert med høyde 2,25 m, bredde 3,75 m og lengde 27 m. Vi har beregnet mengder med betong og armeringsstål etter mal fra Statens vegvesen [35]. For å få betongkulverten mest mulig lik plastrøret ekstrapolerte vi målene i malen. Dette var foreslått av overingeniør i Statens vegvesen, Hauke Burkart.. 38.

(46) 3.5.1 Kommentarer til vedlegg for utregning av betongkulvert: Betong I dette eksempelet er det en betongkulvert som skal føre et bekkeløp, derfor må denne betongen være vanntett. NS-EN 206+NA har følgende krav til sammensetning for en vanntett betong: •. Vanntett betong skal ha velgraderte tilslag av egnede materialer.. •. Masseforholdet skal være lavere enn 0,50.. •. Minst 8 masseprosent av tilslaget bør være <0,25 mm. Alternativt økt sementinnhold, pozzolaner, eller bruk av L-stoffer.. Betongoppskriften er en B45 MF40 D16 Cl 0.1 S4. Dette er en betong med: •. Trykkfasthet 45 MPa.. •. Bestandighetsklasse 40.. •. Masseforhold på 0,40.. •. Største steinstørrelse D16.. •. Kloridklasse 0.1.. •. Konsistensområde S4, synkmål 160-210 mm.. Denne betongen er luftinnført i henhold til Statens vegvesen for frostbestandighet. Små luftporer blir tilført betongen slik at ikke vannet kan ekspandere og sprekke betongen ved minusgrader.. Vi benytter Anlegg FA, som er tilpasset norske forhold ved bruk av M45 eller strengere. Anlegg FA sement bidrar med: •. Høy sluttfasthet.. •. Lav varmeutvikling.. •. Gode støpelighets- og bestandighetsegenskaper.. 39.

No results found