&INTNU Kunnskap for en bedre verden
Styrkeberegning av platebru med alkalireaksjoner
Tilstandsvurdering og kapasitetskontroll av Vold bru
Therese Aas
Eirik Bredenbekk Åkre
Master i Bygg- og miljøteknikk Hovedveileder: Terje Kanstad, KT
Institutt for konstruksjonsteknikk Innlevert: juni 2019
Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
Fakultet for ingeniørvitenskap
NTNU- Norges teknisk- naturvitenskapelige universitet
MASTEROPPGAVE 2019
FAGOMRÅDE:
Betongkonstruksjoner
DATO:
11.juni.2019
ANTALL SIDER:
148 + 96 vedlegg
TITTEL:
Styrkeberegning av platebru med alkalireaksjoner
Tilstandsvurdering og kapasitetskontroll av Vold bru
Structural strength analysis of slab bridge with alkali-silica reactions
UTFØRT AV:
Therese Aas
Eirik Bredenbekk Åkre
SAMMENDRAG:
Det registreres stadig flere betongkonstruksjoner med påvirkning fra alkalireaksjoner. Ekspansjonen fra alkalireaksjoner kan i enkelte tilfeller bli så stor at det er nødvendig å kontrollere kapasiteten til
betongkonstruksjonen med alkalireaksjoner. I denne oppgaven er det utført styrkeberegninger av Vold bru, som ligger langs E6 i Stjørdal kommune. Brua er en 61 m lang platebru i armert betong, som er påvirket av
alkalireaksjoner. Det er gjennom oppgaven vurdert bruas tilstand, utført kapasitetskontroll i bruddgrensetilstand og beregnet de konstruktive virkningene fra alkalireaksjoner på brua.
Tilstandsvurderingen av brua er utført på bakgrunn av egen befaring og informasjon fra Statens vegvesen. Under arbeidet med søndre landkar ble det observert alkaligel i betongen, og senere ble det tatt ut 17 kjerneprøver fra brua. På egen befaring kunne en se tydelig opprissing fra alkalireaksjoner på landkarene og søylene mot sør- vest. Det ble også observert at begge brufugene var lukket, som et resultat av ekspansjonen fra alkalireaksjoner.
Vold bru er modellert i Robot Structural Analysis, med laster fra Statens Vegvesen sine håndbøker R412 og Håndbok 185. Det er foretatt kapasitetskontroll etter NS 3473:2003 i bruddgrense for bruas lengderetning, tverretning og søyler. Det er foretatt kontroll av gjennomlokkingskapasiteten, som ikke er tilstrekkelig etter NS 3473. Enkelte av kontrollene er også utført etter Eurokode 2 for sammenligning av gammelt og nytt regelverk.
Beregningen av alkalireaksjonene er utført for lengderetningen og for søylene. Det er kun lastvirkningene fra moment som er beregnet, og virkningene er beregnet med jevn ekspansjon på 0,5 ‰ og en lineær ekspansjon på 0,75-0,5 ‰ for Stadium I og II tilstand. Tøyningene fra alkalireaksjonene blir omregnet til temperaturlaster før de settes på Robot modellene. Alkalivirkningene gir en økning av feltmomentene og en reduksjon av
støttemomentene med størst utnyttelse på 95 % i felt. Søyleutnyttelsen er 95 % etter kontroll med lineær interaksjon, for søyler nærmest landkarene.
FAGLÆRER: Terje Kanstad, NTNU
VEILEDER(E): Håvard Johansen, Statens Vegvesen og Hans Stemland, SINTEF UTFØRT VED: Institutt for konstruksjonsteknikk
Åpen
i
Forord
Denne oppgaven er avsluttende for det 2-årige masterprogrammet på bygg og miljøteknikk. Masteroppgaven tilsvarer 30 studiepoeng og er utarbeidet våren 2019.
Oppgaven er skrevet i samarbeid med Statens Vegvesen og Institutt for konstruksjonsteknikk.
I løpet av studieårene har vi begge fattet stor interesse rundt beregningsfagene, og særlig betongkonstruksjoner. Det ble tidlig klart at vi ønsket å skrive en masteroppgave innenfor betongkonstruksjoner og gjerne en brukonstruksjon. I emner om
betongkonstruksjoner og betongteknologi på NTNU har vi også fått innføring i problemene knyttet til bestandighet av betongkonstruksjoner. Vi ønsket derfor en oppgave hvor vi kunne kombinere styrkeberegning og bestandighet av
betongkonstruksjoner, og derfor falt valget på Vold bru som er påvirket av alkalireaksjoner.
Semesteret har bestått av mye gode diskusjoner med hverandre, andre medelever og flere veiledere. Dette har ført til økt forståelse og kunnskap rundt prosjektering av konstruksjoner, og ikke minst rundt betongfaget. Vi har også lært mye om
alkalireaksjoner, som er et økende bestandighetsproblem.
Vi ønsker å rekke en stor takk til vår hovedveileder ved Institutt for
konstruksjonsteknikk, professor Terje Kanstad. Han har bidratt med mye kunnskap og interessante faglige diskusjoner.
Videre ønsker vi å takke medveileder fra Statens vegevesen, Håvard Johansen, for råd om beregning av eldre betongbruer. Tilslutt ønsker vi å rette en takk til Hans Stemland og Kathrine Stemland for god hjelp til forståelse og beregning av alkalireaksjoner.
Trondheim 11 juni 2019 Therese Aas
Eirik Bredenbekk Åkre
ii
iii
Abstract
The number of registered concrete structures affected by alkali-silica reactions are increasing. The expansion from alkali-silica reactions can in some cases be so great that it’s necessary to control the capacity of the concrete structure with alkali-silica reactions.
In this thesis, a structural strength analysis has been carried out for Vold bridge. The bridge is a 61 m long slab bridge in reinforced concrete, which is affected by alkali-silica reactions. Through the thesis, the condition of the bridge has been assessed, capacity in Ultimate Limit State have been controlled and an assessment of constructive effects of alkali-silica reactions has been carried out.
Assessment of the bridge condition is based on own inspection and information from the Norwegian Public Roads Administration. During the work on the southern abutment, alkali-silica gel was observed in the concrete, and 17 core samples were taken out from the bridge. During own inspection, one could see clear signs of map cracking from alkali- silica reactions on the abutments and columns towards the south-west. It was also observed that the expansion joints at abutments were closed, as a result of the expansion from alkali-silica reactions.
Vold bru is analyzed in Robot Structural Analysis, with loads from the Norwegian Public Roads Administration's handbooks R412 and 185. Capacity control in the Ultimate Limit State has been carried out according to NS 3473:2003 for the longitudinal direction, transverse direction and columns. In the longitudinal direction, the bridge has sufficient moment and shear capacity. The highest utilization is 75 % for the moment capacity and 64 % for the shear capacity. In transverse direction, the moment capacity is sufficient after redistribution of bending moments.
Three columns are checked with biaxial bending. The control was carried out using both linear interaction and conversion to an oneaxial moment, as well as a comparison with calculation according to Eurocode 2. Control of the punching shear capacity, which is not sufficient according to NS 3473, has also been carried out.
The effects of the alkali-silica reactions are calculated according to "Alkali-silica reactions - Guidance for structural analysis”. The calculation of the alkali-silica reactions is
performed for the longitudinal direction and for the columns. The effects are calculated with an even expansion of 0.5 ‰ and a linearly expansion of 0.75-0.5 ‰. The resulting strains from the alkali-silica reactions are converted into temperature loads before being applied to the Robot models. The effect from alkali-silica reactions will increase the span moments and reduce the support moments with the greatest utilization of 95% of moment capacity. The column utilization is 95% after control with linear interaction, for columns near the abutments.
iv
v
Innhold
FORORD ... I ABSTRACT ... III FORKORTELSER ... IX
1 INNLEDNING ... 1
2 BESTANDIGHET AV BETONGKONSTRUKSJONER ... 3
2.1 Armeringskorrosjon ... 4
2.1.1 Karbonatisering ... 5
2.1.2 Kloridinntrengning ... 6
2.2 Alkalireaksjoner ... 7
2.3 Andre nedbrytingsmekanismer av betong ... 10
2.3.1 Frost ... 10
2.3.2 Mekanisk- og kjemisk nedbrytning ... 10
2.3.3 Syreangrep ... 10
2.3.4 Sulfat- og nitratangrep ... 10
3 VOLD BRU OVER JERNBANE ... 11
3.1 Geometri og grensebetingelser ... 11
3.1.1 Søyler og fundamenter... 12
3.1.2 Landkar ... 13
3.1.3 Bruplate ... 13
3.2 Statisk system ... 14
3.3 Tilstand Vold bru ... 15
3.3.1 Egne observasjoner ... 18
4 BEREGNINGSGRUNNLAG ... 23
4.1 Regelverk ... 23
4.1.1 Håndbøker fra Statens Vegvesen ... 24
4.1.2 Standarder ... 25
4.2 Materialer ... 26
4.2.1 Betong ... 26
4.2.2 Armering ... 28
vi
5 LASTER OG LASTKOMBINASJONER ... 31
5.1 Permanente laster ... 31
5.1.1 Egenvekt betong ... 31
5.1.2 Superegenvekt ... 32
5.2 Variable laster ... 32
5.2.1 Trafikklaster ... 32
5.2.2 Snølast ... 35
5.2.3 Vindlast... 35
5.2.4 Temperaturlast ... 37
5.2.5 Jordskjelvlast ... 39
5.3 Deformasjonslaster ... 39
5.3.1 Kryp ... 39
5.3.2 Svinn ... 40
5.4 Ulykkeslaster ... 40
5.5 Lastkombinasjoner ... 41
5.5.1 Bruddgrensetilstand ... 41
5.5.2 Bruksgrensetilstand ... 42
6 MODELLERING ... 43
6.1 Analyseprogram ... 43
6.2 Geometri ... 44
6.2.1 Forenkling av brutverrsnitt... 45
6.2.2 Plassering av tverrbjelker ... 47
6.2.3 Forenkling av søyletverrsnitt ... 47
6.2.4 Torsjonseffekter i bjelker på skjeve opplegg ... 48
6.3 Alternative modeller ... 51
6.3.1 Gittermodell ... 51
6.3.2 Stripemodell ... 52
6.3.3 Bjelkemodell ... 53
6.3.4 Tverrmodell ... 53
6.4 Valg av modell ... 55
6.5 Aksesystem til modellering ... 55
vii
7 STATISK ANALYSE ... 57
7.1 Beregning av krefter i lengderetning ... 57
7.2 Beregning av krefter i tverretning ... 62
7.3 Beregning av krefter i søyler ... 64
8 RESULTATER FRA STATISK ANALYSE ... 67
8.1 Resultater i lengderetning ... 67
8.1.1 Momenter ... 67
8.1.2 Skjærkrefter ... 72
8.2 Resultater i tverretning ... 76
8.2.1 Moment... 76
8.2.2 Skjærkrefter ... 77
8.3 Resultater i søyler ... 78
8.3.1 Moment og aksialkraft ... 78
8.4 Lastkombinering i bruddgrensetilstand... 82
8.4.1 Lengderetning ... 82
8.4.2 Tverretning ... 83
8.4.3 Søyler ... 84
9 VERIFIKASJON I BRUDDGRENSETILSTAND ... 87
9.1 Lengderetning ... 87
9.1.1 Momentkapasitet ... 87
9.1.2 Skjærkapasitet ... 93
9.2 Tverretning ... 95
9.2.1 Momentkapasitet ... 95
9.2.2 Skjærkapasitet ... 97
9.3 Søyler... 98
9.3.1 Slankhet ... 98
9.3.2 Beregning av kapasitet ved biaksial bøyning... 100
9.4 Gjennomlokking... 106
9.5 Torsjonskapasitet ... 111
viii
10 EFFEKTER AV ALKALIREAKSJONER I KONSTRUKSJONSANALYSE ... 113
10.1 Indre spenningsvirkninger ... 114
10.2 Ytre lastvirkning ... 116
10.3 Regnemodeller ... 118
10.3.1 Modell 1 ... 118
11 ALKALIREAKSJONER I VOLD BRU ... 121
11.1 Lastvirkning fra alkalireaksjoner i brumodell ... 121
11.2 Beregning av indre spenningsvirkninger ... 122
11.2.1 Resulterende tøyning og krumning ... 123
11.2.2 Modellerte temperaturlaster ... 125
11.3 Ytre lastvirkninger fra alkalireaksjoner ... 126
11.3.1 Fri jevn ekspansjon 0,5 ‰ ... 126
11.3.2 Fri lineær ekspansjon 0,75-0,5 ‰ ... 129
11.4 Verifikasjon av kapasitet med alkalipåvirkning ... 132
11.4.1 Lengderetning ... 132
11.4.2 Søyler ... 135
12 DISKUSJON ... 139
12.1 Tilstandsvurdering ... 139
12.2 Kapasitetskontroll ... 141
12.3 Alkalipåvirkninger ... 142
13 SAMMENDRAG OG KONKLUSJON ... 143
REFERANSER ... 145
VEDLEGG ... 149
ix
Forkortelser
Betydning ASR Alkalireaksjoner
Bk Bruksklasse
CSR Kryp, svinn og relaksasjon E6 Europavei 6
EC Eurokode (EC2 = Eurokode 2) E-modul Elastisitetsmodul
G Egenlast
H185 Håndbok 185 Prosjektering av brukonstruksjoner N400 Håndbok N400 Bruprosjektering
NA Nasjonalt tillegg NS Norsk Standard
NS 3473 Norsk Standard for prosjektering av betongkonstruksjoner (1973-2003) NS 427A Norsk Standard for prosjektering av betongkonstruksjoner (1962-1973)
R412 Håndbok R412 Bruklassifisering RAV Reaktivt tilslag – alkalier - vann
RF Relativ fuktighet SLS Bruksgrensetilstand SVV Statens vegvesen
TE Temperaturlast TR Trafikklast
ULS Bruddgrensetilstand V Vindlast
v/c Vann-sement forhold ÅDT Årsdøgntrafikk
x
1
Kapittel 1
Innledning
I Norge finnesfå betongkonstruksjoner som er eldre enn 80 år.De tidligste
betongkonstruksjonene bærer preg av grove dimensjoner, dårlig materialutnyttelse og sementrik betong fordiregelverkog kompetanse var dårlig i starten.Dette har resultert i skadede betongkonstruksjoner, som ikke er bestandige ogikke oppnår den tiltenkte levetiden. [1]
Statens vegvesenforvalter i dag et vegnett med nærmere 18000 bruer hvorde flesteav disse erbetongbruer.Store deler av betongbruene er bygget etter gammelt regelverk medkrav som ikke alltidhar vært tilstrekkelig for å oppnå den tiltenkte levetiden. Et eksempel på dette er utfordringer knyttet til armeringskorrosjonpå betongbruer, som har medførtog vil medførestorevedlikeholds- ogreparasjonskostnader.[2]
Det registreresstadig flerebetongkonstruksjoner med alkalireaksjoner.Skader som følge av alkalireaksjoner har vært kjent i Norge siden slutten av 1980-tallet.Tidligere har det vært en oppfatning i Norge at alkaliereaksjoner ikke er etproblem, fordi bergartene i norsk betong er såkalt langsomt-reagerende. [3]
På starten av 2000-tallet registrerteStatens vegvesenrundt 300 bruer utsatt for
alkalireaksjoner.Bruer som er bygget på 1950-og 1960-tallet har de mest fremtredende skadene, og dette er et skadeomfang som forventes å øke. [2]Frem til 90-tallet må en regne medat enstor andel av bruene i Region nord, Region midt og Region øst erbygget med reaktivt tilslag og høyalkalisk Portlandsement. Derforvil antall bruer med pågående alkalireaksjoner mest sannsynlig være mye høyere enn det som ble registrert i starten av 2000-tallet.[4]
For bruer er typiske skader fra alkalireaksjoner klemming av fuger, forskyving av lagre, opprissing, deformasjoner og tvangskrefter. Skadene er grunnet volumøkningen i betongen og kan i verstefall føre til konsekvenser for bæreevnen tilkonstruksjonen.
Beregning avlaster fraalkalireaksjoner er et avhovedtemaenei denne oppgaven, hvor det blir tatt utgangspunkt i Vold bru.
Det ergjort lite forsking rundt de konstruktive skadene alkalireaksjoner fører med seg. I forbindelse medFoU-programmet «Varige konstruksjoner2012-2015»i regi av Statens vegvesen,er detblant annetgjennomførten studieav Elgeseter bru og de konstruktive konsekvensene fra alkalireaksjoner.Denne studien har blitt benyttet for å lageen rapport som foreslår regnemodeller som kan benyttes for å beregne tilleggskreftene fra alkalireaksjoner. Rapporten«Alkalireaksjoner –Veiledning for konstruktiv analyse» blir benyttet i denne oppgaven for beregning av lastvirkningene fra alkalireaksjoner.[3]
2
Denne oppgaven er en del av prosjektet «Bedre Bruvedlikehold» som går over tidsperioden 2017 til 2021. Under dette prosjektet er alkalireaksjoner i betong et hovedtema, hvor et av prosjektene er konstruktive konsekvenser av alkalireaksjoner.
Dette prosjektet behandler metoder for kvantifisering av ekspansjon/opprissing, preventive vedlikeholdstiltak og reparasjonstiltak. [5]
Et annet hovedtema i oppgaven er beregning av Vold bru i bruddgrensetilstand for det ordinære lasttilfelle. Dette er nødvendig for å finne utnyttelsene og hvor mye
tilleggskrefter brua kan ta fra alkalireaksjoner. Til disse beregningene er håndbøkene R412 og Håndbok 185 benyttet, sammen med den gamle betongstandarden NS 3473:2003. En del av oppgaven er også tilstandsvurdering av Vold bru.
Delmål i oppgaven vil være:
• Litteraturstudie av bestandighet av betongkonstruksjoner og virkningen av alkalireaksjoner på eksiterende betongkonstruksjoner.
• Gjennomføre befaring og vurdere tilstanden til Vold bru.
• Gjennomgå og benytte gammelt regelverk for betongkonstruksjoner.
• Etablere beregningsmodell for Vold bru og gjennomføre bruddgrensekontroll.
• Vurdere bruas kapasitet med påvirkning av alkalireaksjoner.
Oppgavens oppbygning
Første del av oppgaven vil ta for seg grunnleggende teori om bestandighet av
betongkonstruksjoner. Videre presenteres Vold bru med tilhørende geometri hvor det utføres en enkel tilstandsvurdering. Brugeometri, sammen med beregningsgrunnlag og aktuelle laster, danner utgangspunktet for statisk analyse. Brumodellens oppbygning forklares i et eget kapittel, da dette er en viktig del av oppgaven. Resultater fra statisk analyse benyttes for verifikasjon av brua i bruddgrensetilstand.
Siste del av oppgaven omhandler effekten av alkalireaksjoner i konstruksjonsanalyse, og hvilken regnemodell som benyttes for Vold bru. Resultatene fra alkalipåvirkningene på brua presenteres i eget kapittel, hvor utnyttelse med alkalireaksjoner blir presentert.
3
Kapittel 2
Bestandighet av betongkonstruksjoner
Dette kapittelet introduserer betong som byggemateriale, og hvorfor eldre
betongkonstruksjoner i dag ofteer preget av skader. Videre beskrives ulike former for nedbryting av armering ogbetong.
Betong vil som flere andre materialer bli brutt ned over tid, og hastigheten på
nedbrytingen er avhengig av hvilke påkjenninger betongen blir utsatt for.Det er ønskelig atbetongkonstruksjoner kan stå i planlagtlevetiduten kostbart vedlikehold,og for å oppnå dette målet er det viktig at betongen har en viss bestandighet. Bestandighet er betongkonstruksjonensevne til å motstå nedbryting av betong og armering, og det er flere parametere som skal sikre god bestandighet. Disse parameterne er:
• Betongsammensetning: dette innebærer v/c-tall, sementtype, valg av tilslag, tilsetningsstoffer–og materialer.
• Utførelse: med utførelse menesreologi, støpelighet og vibrasjon av betongen ved utstøping.
• Prosjektering og utforming av konstruksjonen: dette innebærer tilstrekkelig overdekning, riktig fall for å sikre avrenning og membran.
• Vedlikehold: det er viktig at betongen blir vedlikeholdt med puss av overflater, kontinuerlige inspeksjoner og eventuelt utbedrende tiltak.
Betongen som benyttesi dag er en blanding avsement, vann, sand og stein,
tilsetningsstoffer og tilsetningsmaterialer.Betongtilslager fellesbetegnelsen for sand-og steinmateralene, menssementpasta er blandingen mellom sement og vann. Sement er et hydraulisk bindemiddel,som sammen med vann starter en kjemisk eksoterm reaksjon og gir et fast reaksjonsprodukt. Betongens sluttegenskaper er knyttet til denne
reaksjonen og masseforholdet mellom effektivt vanninnhold og sement.
Under hydratiseringen forbrukes vann på to måter:[6]
• For den kjemiske reaksjonen kreves en vannmengde tilsvarende v/c-tall lik 0,25.
Dette vannet blir kjemisk bundet og inngår i CSH-fasen.
• Resten av vannmengden tilsvarendev/c-tall lik 0,15, blir fysisk bundet til reaksjonsproduktene som gelvann.
Ved et v/c-tall større enn 0,4 er det mer vann i betongen enn hva som kreves for at all sement skal hydratisere. Vannet som ikke inngår i hydratiseringen vil fordeles jevnt i sementpastaen og kan fordampe under herding. Dette etterlater seg store hulrom, kalt kapillærporer, som gjør betongen porøsog påvirker dens bestandighet.Betongens
bestandighet er også knyttet til betongtilslaget, tilsetningsmaterialer og tilsetningsstoffer.
[6]
4
2.1 Armeringskorrosjon
Armeringskorrosjon er ansett som det mest alvorlige problemet for bestandigheten av betongkonstruksjoner. Korrosjonsproduktet, som er en blanding av jernoksider og jernhydroksider, har et fem til sju ganger større volum enn stålet. Dette fører til
sprekkdannelser, rustfarging, avskalling av betong og redusert konstruktiv bæreevne. [7]
Under normale forhold er armering i betong omringet av porevann med høy alkalitet hvor pH-verdien er 11 eller mer. Grunnet den høye pH-verdien er armeringen beskyttet med et tynt oksidlag, som hindrer jernet i å korrodere. I denne tilstanden er stålet er
passivisert og oksidlaget kalles passivfilm. [8] Passiveringen av stålet oppheves gjennom karbonatisering eller for høyt kloridinnhold i betongen, og forløpet til armeringskorrosjon deles inn i to perioder.
• Initieringsperioden er tiden det tar før karbonatiseringsfronten har nådd
armeringen, eller tiden det tar før kloridinnholdet ved stålet er tilstrekkelig høyt slik at armeringen vil begynne å korrodere.
• Korrosjonsperioden er tiden etter at passiviseringen er brutt, og armeringen korroderer.
For at stålet skal korrodere og den elektrokjemiske reaksjonen kan oppstå, kreves en anode og en katode. Disse må være metallisk koblet og i elektrisk ledende væske. Ved anoden frigis elektroner og jernet løses opp. Det er ved anoden korrosjonsproduktet formes, ved at hydroksid ioner fra katoden reagerer med jernioner ved anoden.
Reaksjonen er vist i figur 2-1.
Figur 2-1: Forenklet korrosjonsmodell. [7]
Samlet reaksjon:
𝐹𝐹𝐹𝐹+𝐻𝐻2𝑂𝑂+1
2𝑂𝑂2→ 𝐹𝐹𝐹𝐹2++ 2𝑂𝑂𝐻𝐻−→ 𝐹𝐹𝐹𝐹(𝑂𝑂𝐻𝐻)2
5
Ligningene viser at korrosjonsproduktet er avhengig av vann og oksygen for å dannes.
Innendørskonstruksjoner i tørt, skjermet miljø vil også være godt beskyttet mot korrosjon. Dette er fordi det ikke er tilstrekkelig fuktighet og konstruksjonen har høy elektrisk motstandsevne som hindrer armeringsstålet i å korrodere. Konstruksjoner som er fullstendig neddykket i vann vil også være rustet mot armeringskorrosjon fordi det ikke er tilstrekkelig oksygentilførsel til at armeringen kan korrodere.
2.1.1 Karbonatisering
Porevannet i betongen holder høy pH-verdi fordi sementen inneholder alkali ioner Na+ og K+. Under hydratiseringen dannes også kalsiumhydroksid Ca(OH)2 som bidrar til høy alkalinitet i betongen. Ved karbonatisering reagerer karbondioksid fra omgivelsene med kalsiumhydroksid, og danner kalsiumkarbonat og vann. Dette fører til at pH-verdien i porevannet synker, og jernet ikke lenger er passivert. [6]
Reaksjonslikning for karbonatisering:
𝐶𝐶𝑎𝑎(𝑂𝑂𝐻𝐻)2+𝐶𝐶𝑂𝑂2→ 𝐶𝐶𝑎𝑎𝐶𝐶𝑂𝑂3+𝐻𝐻2𝑂𝑂
Karbonatiseringsfronten er hvor langt inn i betongen pH-verdien er under 9. Med tiden vil karbonatiseringsfronten trenge lenger inn i betongen, og til slutt bryte passiveringen av stålet. Karbonatiseringshastigheten avhenger av permeabiliteten til betongen,
overdekning, fuktighet og CO2 konsentrasjon. Betongoverdekning er en av
hovedparameterne til lengden av initieringsperioden. Med større overdekning vil det ta lengre tid før karbonatiseringsfronten når armeringsjernet og korrosjonsperioden kan begynne. Dybden d på karbonatiseringsfronten avhenger av
karbonatiseringskoeffisienten k, og er proporsjonal med kvadratroten av tiden t. [6]
𝑑𝑑=𝑘𝑘 ∗ √𝑡𝑡
En betong med høy permeabilitet, som følge av høyt v/c-tall, vil øke hastigheten til karbonatiseringen fordi gass lettere kan diffundere inn i betongen.
Karbonatiseringshastigheten vil skje hurtigst ved relativ fuktighet på 50-60 %, fordi det er tilstrekkelig med vann til reaksjonen, samtidig er poresystemet åpent for diffusjon.
Selv om overdekningen og betongkvalitet er tilfredsstillende for å holde
karbonatiseringsfronten unna armeringsjernet, vil også karbonatiseringen pågå i riss og sprekker. Dette betyr at armeringskorrosjon som følge av karbonatisering kan
forekomme lokalt hvor riss krysser armering, selv om karbonatiseringsfronten er langt unna armeringen. [1]
6 2.1.2 Kloridinntrengning
Kloridinitiert armeringskorrosjon er ofte betraktet som det største
bestandighetsproblemet for armerte betongkonstruksjoner. Hvis kloridnivået ved armeringen blir for høyt, vil stålets passivering brytes og korroderingen kan starte.
Klorider i betong kan enten være tilstede under blanding eller trenge inn under
brukstiden. Hvis betongen inneholder klorider før den herder er det benyttet klorholdig tilsetningsstoff, saltvann eller kloridforurenset tilslag i miksen. Depassivering av stålet vil starte umiddelbart om klorinnholdet er over gitte grenseverdier.
Kloridioner i prosent av sementvekt Korrosjonsfare
< 0,40 Neglisjerbar
0,4 – 1,0 Mulig
1,0 – 2,0 Sannsynlig
> 2,0 Sikker
Initiering av klorider i brukstiden kommer fra sjøsalt, som inneholder som store mengder natriumklorid (NaCl), eller veisalt som inneholder store mengder kalsiumklorid (CaCl2).
Faktorene som påvirker initieringshastigheten ved inntrenging av klorider er:
• Diffusjonshastigheten/kapillærsughastigheten av klorider.
• Betongens evne til å binde klorider.
• Nødvendig kloridnivå for depassivering.
Korrosjon som følge av kloridinitiering kan gi lokale angrep på armeringen, kalt pitting- korrosjon. Pitting-korrosjon fører til groper/hull i stålet, som gir redusert
armeringstverrsnitt og er dermed langt mer alvorlig enn ved overflatekorrosjon. De lokale angrepene skjer ved at kloridioner punktvis reagerer med oksidfilmen utenpå stålet og danner et reaksjonsprodukt som er løselig i vann. Ettersom reaksjonsproduktet er løselig i vann kan alvorlige korrosjonsangrep fortsette uten synlige tegn på
betongoverflaten. Korrosjonshastigheten fra kloridinitiering er maksimal ved RF på 90-95
% og vil øke ved økende temperatur. [9]
7
2.2 Alkalireaksjoner
Alkalisilikareaksjon er et kjent fenomen i Danmark hvor de reaktive bergartene er opal.
Alkalikarbonatreaksjon er også en betegnelse, hvor karbonholdige bergarter er den reaktive bergarten. Et tredje begrep er alkalisilikatreaksjon, og det er i denne klassen de reaktive stoffene i Norge tilhører. For å unngå forvekslinger mellom disse begrepene benyttes betegnelsen alkalireaksjoner (ASR) i Norge. [9]
Alkalireaksjoner er en kjemisk prosess som kan forekomme i betongkonstruksjoner. For at denne prosessen skal oppstå må parameterne alkalier, reaktivt tilslag og vann være til stede. Alkalier uttrykt som Na2O ekvivalenter, trenger inn i tilslaget og reagerer med noen typer bergartsmineraler og deretter dannes alkaligel, se figur 2-2. Denne gelen vil absorbere vann og ekspandere. Når alkaliegelen ekspanderer kan det føre til riss og sprekker i betongkonstruksjonen. [9] Hurtigheten til reaksjonen vil øke ved høy temperatur.
Figur 2-2: Alkaligel fra prøveuttak Vold bru. [Foto: Kathrine Stemland]
De tre nødvendige parameterne kan presenteres i en RAV-trekant vist i figur 2-3. Ved å fjerne et av elementene i RAV-trekanten vil ikke reaksjonen oppstå. Eldre betong med reaktivt tilslag og alkalier vil kunne utvikle alkaligel så lenge det er tilstrekkelig fuktighet (RF > 80 %). Hvis en sørger for at relativ fuktighet er under grenseverdien kan videre utvikling av alkalireaksjoner forebygges, men dette er ikke alltid mulig. [9]
Figur 2-3: RAV-trekant med nødvendige parametere for alkalireaksjoner.
8
I skvalpesonen og andre værutsatte steder, vil det være vanskelig å holde fuktnivået nede og i verste fall må eldre betong byttes ut med ny betong uten reaktivt tilslag. Kartet i figur 2-4 viser ulike reaktive tilslag i Norge med størst konsentrasjon i øst, midt og Nord-Norge. Før en hadde kunnskap om alkalireaksjoner ble store deler av
betongkonstruksjoner i disse områdene bygget med reaktivt tilslag fra lokale knuseverk.
Derfor er det i disse områdene det først og fremst oppdages tydelige tegn til skader fra alkalireaksjoner, og omfanget forventes å øke i fremtiden.
Figur 2-4: Kart over reaktivt tilslag i Norge [10]
Alkalireaksjoner i armert betong vil gi et karakteristisk utseende med overflateriss i en mørk farge vist i figur 2-5 og 2-6, og det er gjerne slik reaksjonene oppdages. Skadene som følge av alkalieraksjoner kan deles inn i tre hovedgrupper:
• Overflateriss
• Åpne riss
• Konstruktive skader
Er det kun overflateriss vil dette ha en negativ konsekvens på det estetiske ved
konstruksjonen. Hvis rissene derimot er dypere og mer åpne er sjansen større for skader på følge av dette. Disse skadene kan være armeringskorrosjon, kloridinntrengning og frost. Konstruktive skader fra alkalireaksjoner oppstår grunnet volumøkningen som kan føre til redusert bæreevne. [9]
9
Figur 2-5: Krakeleringsriss på Vold bru [foto: Therese Aas]
Figur 2-6: Opprissing av forstøtningsmur i Skogn, Trøndelag. [Foto: Eirik B. Åkre]
10
2.3 Andre nedbrytingsmekanismer av betong
Det finnes flere andre nedbrytningsmekanismer som bryter ned betongen over tid.
Mekanismene som blir presentert i denne oppgaven er frost, mekanisk- og kjemisk nedbrytning, syreangrep og sulfat- og nitratangrep.
2.3.1 Frost
Betong som er utsatt for gjentatt frysing og tining kan utvikle frostskader. Disse frostskadene kommer til syne i konstruksjonen ved at de ytterste lagene av betongen skaler av. Avskallingen vil deretter gå innover i betongen. Betong består som tidligere nevnt av en viss andel porer, og disse porene kan bestå av vann. Når betongen fryser vil vannet i porene fryse og gå over til is. Isen vil ha et større volum enn vannet. Dette vil skape et hydraulisk trykk i porevannet som igjen fører til strekkspenninger i betongen.
Trykkpenningene som oppstår må være større enn strekkfastheten til betongen for at det skal oppstå frostskader. [1]
For å sikre betongen mot frostskader er det vanlig å benytte luftinnførende stoffer. Disse stoffene skal sørge for å tilføre betongen mer luft og for at luftporene blir jevnt fordelt.
Hvis luftporene er store nok kan de ta opp en del av trykket som oppstår i porevannet under frysing, og dermed hindre noe av frostskadene. Frostskadene er avhengig av antall frostsykluser, avkjølingshastighet, laveste frysetemperatur og tid ved frosttemperatur.
[1]
2.3.2 Mekanisk- og kjemisk nedbrytning
Mekanisk nedbryting av betongen skyldes de lastene eller kreftene konstruksjonen blir utsatt for. Sprekkdannelse i konstruksjonen kan ofte komme av temperaturlaster i betongen. Hvis betongen blir utsatt for laster den ikke er dimensjonert for kan det også oppstå sprekker. Sprekkene vil ikke nødvendigvis påvirke konstruksjonens styrke, men øker risikoen for blant annet armeringskorrosjon. [1]
Ulike kjemiske reaksjoner, som reduserer betongkonstruksjonens funksjon over tid, har felles begrepet kjemisk nedbryting. Det er vanlig å skille mellom to mekanismer. Den første er oppløsing av betongens bindestoff, hvor bindestoffet først blir oppløst og deretter vasket ut. Den andre mekanismen er kjemiske reaksjoner. De kjemiske reaksjonene fører til et reaksjonsprodukt med større volum, som igjen kan føre til sprekker i betongen. [1]
2.3.3 Syreangrep
Syrer angriper betongen ved at bindestoffene omdannes til reaksjonsstoffer som skylles ut av betongen. Det er vanlig at syreangrep starter i de ytterste lagene av betongen og betongen smuldrer opp. Syreangrep foregår ofte i sure miljøer med lav PH-verdien. [1]
2.3.4 Sulfat- og nitratangrep
Når vann som inneholder sulfater og nitrater er kontakt med betong over lengre tid kan det oppstå sulfat-og nitratangrep. Angrepene foregår ved at stoffene reagerer med betongen og skaper en forbindelse som binder vann, og deretter sveller. Dette vil etter hvert kunne føre til et stort trykk i betongen som igjen fører til opprissing. [1]
11
Kapittel 3
Vold bru over jernbane
Dette kapittelet tar for seg generell informasjon, statisk system ogtilstand for Vold bru.
Vold bru er en viaduktsom ligger langsE6 i Stjørdal kommune,i Trøndelag.Brua ble bygget i 1966 og er en 61 meter lang platebruav armert betong.Det er Nord Trøndelag vegvesen som har stått for utførelsen av brua og den er konstruert av rådgivende ingeniør i byggteknikkArne Neegård.Informasjonen om Vold bru er hentet fra Statens Vegvesen sitt bruforvaltningssystem Brutus.Tegningsgrunnlaget for Vold bru er mottatt fra Statensvegvesen og relevante tegninger for oppgaven finnes i Vedlegg A. Ved dimensjonering av brukonstruksjoner er det nødvendig å vite trafikkdata for
vegstrekningen.FraStatens vegvesen sitt vegkart er årsdøgntrafikk for Vold bruoppgitt til 11100,med 17% andel lange kjøretøy. [11]
Figur 3-1: Vold bru 14.05.2019 [Foto: Eirik B. Åkre]
3.1 Geometri og grensebetingelser
Platebruer består av hovedelementene søyler, plate og landkar. Bæresystemet til Vold bru består av en kontinuerlig betongplate på søyler i fem spenn, hvor de tre midtre spennene er på 13 m og de to endespennende 10,4 m, se figur 3-2. Senere i oppgaven vil det fremkomme fra statisk analyse at brua egentlig har seks spenn i lengderetning.
Figur 3-2: Plantegning Vold bru
12
Bruas bredde er 10,02 m med to kjørebaner på 3,85 m. Vertikalkurvaturen til senterlinje bru er en slak bue fra kote 58,766 i sør, kote 59,157 på midten til kote 58,872 i nord.
Horisontalkurvaturen til brua er rettlinjet mellom landkarene, mens veien før påkjøring og etter avkjøring har radius som gjør at bruas tverrfall varierer lineært fra +5% i sør til -5% i nord. Oppleggene til brua er skjevstilte, ettersom de følger retningen til juvet og jernbanen under brua. Skjeve opplegg innebærer at vinkelen mellom opplegget
(landkaret) og bruplaten ikke er 0 grader. Dette vil si at en bru med oppleggsvinkel på 0 grader vil ha rette opplegg, og for Vold bru er skjevstillingen rundt 60 grader.
3.1.1 Søyler og fundamenter
Brua består av åtte søyler, plassert på 1800x1800 mm store pelefundamenter i betong med tykkelse 1000 mm, se figur 3-3. Fundamentene er plassert på frostfri dybde og har fire betongpeler med minimum bæreevne 35 tonn pr. pel. Pelene er skråstilt med en helning på 8:1, utstyrt med fjellspiss og meislet ca. 3 cm ned i fjell. I utgangspunktet var brua prosjektert med seks trepeler i hvert fundament, men dette ble endret før bygging til nevnte fire betongpeler for å få mindre fundamentsåle. I denne oppgaven regnes søylefundamentene som momentstive.
Figur 3-3: Søylefundament med betongpeler.
Søylene er armerte betongsøyler med en diameter på 600 mm og varierende lengde fra 5 m til 8,5 m. Søylene er støpt monolittisk sammen med bruplaten og i overgangen søyle-plate skrår diameteren til søylene ut til 1000 mm som en kapitél, vist i figur 3-4.
Figur 3-4: Viser overgang mellom bruplate og søyle.
13 3.1.2 Landkar
I hver ende på Vold bru er det landkar som danner overgangen mellom brua og
tilstøtende vei. Landkarene består av såle, frontvegg, vinger og randbjelke. I overgangen mellom randbjelke og vei er det også en overgangsplate for å redusere ulemper med setning i vegfylling inn mot landkaret.
Landkarene er i likhet med søylefundamentene fundamentert med skråstilte betongpeler langs rendene. Søndre landkar mot Stjørdal er fundamentert med 18 peler, mens nordre landkar Levanger er fundamentert med 16 peler. Bevegelsesfuger skal benyttes ved landkar og ved Vold bru er det neoprene glidelager, som tillater aksiell forskyvning ved begge landkar.
3.1.3 Bruplate
Bruplaten består av en 400mm armert betongplate med 600mm høye kantdragere.
Grunnet horisontalkurvaturen til veilinjen før og etter påkjørsel til brua, varierer
tverrfallet på veibanen og brutverrsnittet over hele brulengden. Dette gjør at høyden til kantdragerne vil variere over hele lengden, men ved 0 % tverrfall er høyden 600 mm.
Ved søndre landkar er tverrfallet 5 % og ved nordre landkar er tverrfallet 5% motsatt rettet. Endringen på tverrfallet fra nordre- til søndre landkar er tilnærmet symmetrisk, og dermed brukes tverrsnittet hvor tverrfallet er 0 % for beregning av platen, vist i figur 3- 5. Belegningen på bruplaten er oppgitt som 40mm i tegningsgrunnlaget fra SVV, men i oppgaven antas denne å være noe høyere.
Figur 3-5: Målsatt snitt av bruplate.
14
3.2 Statisk system
Det statiske systemet til Vold bru er illustrert tredimensjonalt i figur 3-6.
Figur 3-6: Illustrasjon av det statiske systemet til Vold bru i 3D.
Bruplaten bæres av landkar på endene og søyler ute i felt. Mellom søylene induseres tverrbjelker i bruplaten, som til sammen danner rammer for å bære bruplaten.
Tverrbjelkene vil ha en gitt stivhet, som tillater vertikal deformasjon mellom søylene.
Dette beskrives senere i kapittel 6 og de ulike spennlengdene er vist i figur 3-7.
Figur 3-7: Statisk system til bruplate.
Rammene som settes opp speiles om midten av brua. Ved bruendene vil tverrbjelkene i ramme A og B være forbundet til nærmeste søyle og opplagt på landkarene, vist i figur 3-8. I feltet vil rammene settes opp mellom nærmeste søylepar.
Figur 3-8: Statisk system til rammer.
15
3.3 Tilstand Vold bru
Tilstandsbeskrivelsen av Vold bru baseres på informasjon fra Statens Vegvesen og egne observasjoner. De overordnede tiltakene som er gjort siden 2012 er:
• 2012: Reparasjon av kantdragere ved montering av nytt rekkverk.
• Høst 2017: Ny membran og asfalt på brudekke.
• Høst 2017: Søndre landkar forsøkt reparert med meisling og «PATCHROC GP».
• Vår 2018: Utskiftning av betong i øvre sjikt på søndre landkar (150-200mm).
Det var under arbeidet med søndre landkar våren 2018 at tydelige tegn på
alkalireaksjoner ble oppdaget. Ved vannmeisling skallet betongen av ble det registrert tydelig opprisset betong, vist i figur 3-9. Betongen i øvre sjiktet var ekstremt forvitret på grunn av alkalireaksjoner og frostskader, og alkaligel ble oppdaget i porene, vist i figur 3-10.
Figur 3-9: Søndre landkar etter vannmeisling. [Foto: Statens vegvesen]
Grunnet observasjonene, ble det i samarbeid med FoU-prosjektet «Bedre
bruvedlikehold», tatt ut 17 betongkjerner fra Vold bru. Fem i søndre landkar, åtte i bruplata og fire i nordre landkar, hvor foreløpige resultater viser at betongen er utsatt for alkalireaksjoner.
16
Figur 3-10: Alkaligel i betong ved søndre landkar. [Foto: Statens vegvesen]
Under arbeidet med utskifting av betong ved søndre landkar, ble landkarveggen mot sør- vest skjært opp for å få tilkomst til under landkarplaten. Med tilkomst under landkaret ble overgangsplaten, randbjelken og landkaret inspisert fra undersiden. På undersiden av landkaret ble det observert fukt og kalkutslag, samt tydelige bøyeriss. Dette er vist i figur 3-11 og figur 3-12.
Figur 3-11: Fuktgjennomgang som et resultat av at membran mangler.
[Foto: Statens vegvesen]
17
Figur 3-12: Bøyeriss i underkant landkarplate. [Foto: Statens vegvesen]
Ved utstøping av ny betong på søndre landkar, ble ny betong lagt helt inn til bruplaten.
Dette betyr i praksis at fugen i topp, men trolig også i bunn, er lukket. Se figur 3-13.
Figur 3-13: Fuge etter arbeidet med søndre landkar.
18 3.3.1 Egne observasjoner
Den 14. mai 2019 ble det gjennomført egen befaring av Vold bru. På befaringen ble begge landkar, underside bruplate og søyler inspisert. Fugene til kantdragerne mellom bruplate og landkar så ut til å være åpen ved begge ender. Dette var ikke tilfelle for fugen mellom plate og begge landkarene. En kunne her se at fugen fra undersiden var nesten, eller helt lukket ved begge landkar, selv ved en temperatur på rundt 5-10 oC de siste døgnene. Dette er illustrert i figur 3-14.
Figur 3-14: Brufuge ved søndre landkar. [Foto: Therese Aas]
19
Hvis dette er tilfelle, vil situasjonen for brufugene være slik som figur 3-15 illustrerer.
Figur 3-15: Illustrasjon av trolig situasjon for brufugen ved søndre landkar.
Landkaret i nord viste også tydelige tegn til opprissing fra alkalireaksjoner. Selv under bruplata var frontveggen på nordre landkar opprisset, som et resultat av dårlige løsninger for drenering ved fuge til eldre bruer, vist i figur 3-16.
Figur 3-16: Frontvegg på nordre landkar tydelig fuktpåkjent. [Foto: Therese Aas]
20
Søylene til brua viste lite eller ingen tegn til alkalipåvirkning, med unntak av de to lengste søylene ved jernbanen mot sør-vest. Disse søylene var tydelig opprisset på overflaten mot sør-vest, som et resultat av alkalireaksjoner. En av disse søylene er vist i figur 3-17.
Figur 3-17: Søyle med riss fra alkalireaksjoner. [Foto: Therese Aas]
I forbindelse med utskifting av rekkverk i 2012 ble også kantdragere reparert. Dette kunne en se under befaring ved åpen fuge i ender og påstøp på kantdragere, se figur 3- 18. Langs hele bruranden kunne en se kalkutslag i det som så ut til å være en
støpeskjøt.
Figur 3-18: Kantdragere reparert i 2012. [Foto: Therese Aas]
21
Under befaring ble det også observert armering i dagen på underside kantdragere ved begge landkar, som et resultat av armeringskorrosjon, vist i figur 3-19.
Figur 3-19: Armering i dagen og kalkutslag i underkant av bruoverbygningen.
[Foto: Therese Aas]
Tiltak mot alkalireaksjoner
For å forhindre eller forebygge mot alkalipåvirkning på betongkonstruksjoner, må et av elementene i RAV-trekanten fjernes. En løsning kan være å bytte ut selve betongen, som er gjort ved søndre landkar. Likevel er det gammel betong med alkalireaktivt tilslag under ny betong og derfor er ny membran lagt på dekket. Dette hindrer fukt og veisalter i å trenge inn i betongen. Andre tiltak for konstruksjonen er å åpne opp fugene i brua slik det gjort ved kantdragerne, men ikke ved platen.
Statens vegvesen sluttrapport «FoU-programmet Varige konstruksjoner 2012-2015»
foreslår ulike tiltak som kan benyttes for søyler som er utsatt på alkalireaksjoner. Det kan vurderes om noen av disse kan benyttes på Vold bru. Et tiltak er impregnering, som fungerer best ved beskjeden opprissing. Dette tiltaket kan eventuelt benyttes på de fleste søylene, unntatt de søylene som er verst utsatt for opprissing. Et annet tiltak er å legge belegg på søylene. Dette fungerer best før betongen har fått opprissing og på slanke konstruksjoner, og vil ikke være aktuelt på de søylene på Vold bru som allerede er risset. Det er også en fare for at fukten blir værende i søyla ved å benytte belegget og dette vil eventuelt føre til at nedbrytningen bare vil øke. [2] Andre tiltak blir diskutert senere.
22
23
Kapittel 4
Beregningsgrunnlag
Dette kapittelet omfatterregelverk som benyttes tilprosjektering avbrukonstruksjoneri betongog tidligere regelverk benyttetforprosjektering av Vold bru. Videre blir materialer til de ulike konstruksjonsdelene beskrevet.
Beregningsgrunnlaget for Vold bru over jernbane er basert på tegningsgrunnlagog informasjon fraStatens vegvesen.
4.1 Regelverk
Prosjektering avkonstruksjoner i Norge skal være i henhold tiloverordnet lovverk,som plan-og bygningsloven og veglovenvist i figur 4-1.Lov om planlegging og
byggesaksbehandling (plan-og bygningsloven) er sentralforall arealplanlegging og byggevirksomhet. Lovengjelder forplanlegging av arealbruk ogfor
byggesaksbehandling, og gjelderfor hele landetog isjøen én nautisk mil utenfor grunnlinjene[12].Unntak fra plan-og bygningsloven gjelder forblant annet offentlige veganlegg, vannkraftanlegg,anlegg for produksjon av elektrisk energiog
akvakulturanlegg.[13]
Figur 4-1: Oversikt over regelverk for bygnings- og vegkonstruksjoner.
Offentlige veganlegg er underlagt veglova. Dette er veier som er åpen for allmenn ferdsel og vedlikeholdt av stat, fylkeskommune eller kommune. Ved utforming og
dimensjonering av offentlig veg- og trafikkanlegg benyttes vegnormaler i Statens vegvesens håndbokserie. Vegnormalene inneholder krav til blant annet veibygging, veiutforming, bruer og tuneller. Vegnormalene er kravdokumenter som har hjemmel i forskrift etter veglovens §13. [14]
Norges lover
Plan- og
bygningsloven Forskrifter
Norsk Standard (NS) Byggforsk
Vegloven Forskrifter Vegnormaler Norsk Standard
(NS)
24 4.1.1 Håndbøker fra Statens Vegvesen
Statens Vegvesen har utviklet flere håndbøker som benyttes ved prosjektering av veianlegg. Håndbøkene blir delt inn i to nivåer:
• Nivå 1: Normaler og retningslinjer
• Nivå 2: Veiledninger
Nivå 1, som består av normalene og retningslinjene, er kravdokumenter og er de viktigste håndbøkene. Normalene gjelder for all offentlig vei og gate, eller Statens vegvesen og myndigheter. Retningslinjer gjelder ikke kun for riksvei og Statens vegvesen, men også alle konsulenter og entreprenører som gjør oppdrag for Statens vegvesen. Veiledningene under nivå 2 er støttedokumenter til håndbøkene i nivå 1. Disse gir en dypere forståelse av fagstoffet og mer detaljbeskrivende. [15]
Håndbøker som blir benyttet i denne oppgaven:
• Håndbok 185 (2009) Bruprosjektering
• Håndbok R412 (2014/2003) Bruklassifisering + NA-rundskriv 2017/10
Figur 4-2: Forside håndbok 185. Figur 4-3: Forside håndbok R412.
25 Bruprosjektering
I dag benyttes håndbok N400 Bruprosjektering, som tar for seg prosjektering av bruer, ferjekaier og andre bærende konstruksjoner. Håndboken er under nivå 1 i Statens
vegvesen sitt håndbokhierarki og erstatter tidligere Håndbok 185 Prosjekteringsregler for bruer. [16] Håndbok 185 ble først utgitt i 1996, med siste versjon i 2009, og tar
utgangspunkt i den gamle standarden for betongkonstruksjoner NS 3473. [17]
Bruklassifisering
Håndbok R412 Bruklassifisering er retningslinjer under nivå 1. Ved bruklassifisering bestemmes maksimalt tillatte trafikklaster ut fra tegninger, beregninger, bruas tilstand og materialegenskaper. Håndboken R412 inneholder lastforskrifter for klassifisering av eksisterende bruer og ferjekaier i det offentlige veinettet, som gjelder som et
minimumskrav. R412 erstatter den tidligere håndboken 238 Bruklassifisering. [18]
4.1.2 Standarder
Standard Norge har ansvar for standardisering i Norge, og har enerett på å fastsette og utgi Norsk Standard. Standarder brukes som verktøy under planlegging, prosjektering, utførelse og verifikasjon av bygg- og anleggskonstruksjoner. Tidligere ble nasjonale standarder benyttet for dokumentasjon, men i dag er disse erstattet med Eurokoder som er en felles europeisk serie av standarder. Eurokodene med nasjonale tillegg skal sikre dokumentasjon av produkter, og dokumentere konstruksjonens sikkerhet etter
byggeforskriftens krav. Ved prosjektering av betongkonstruksjoner benyttes Eurokode 2, som stiller krav til konstruksjonens kapasitet, bestandighet, brukbarhet og
brannmotstand. Sammen med andre Eurokoder, og standarder for utførelse og materialer, sikres dokumentasjon til myndighetenes krav til sikkerhet av betongkonstruksjoner.
Vold bru ble bygget i 1966 og er derfor dimensjonert etter den gamle betongstandarden NS 427 A. I 1973 kom Standard Norge med en ny standard for prosjektering av
konstruksjoner, NS 3473. Det var særlig to endringer som skilte NS 427 A og NS 3473.
Konstruksjonene skulle etter NS 3473 dimensjoneres etter bruddgrensetilstanden med partialfaktorer og spenning-tøyningssammenhengen for betong. Denne forandringen var mer riktig med hensyn til den virkelige situasjonen. [19] Figur 4-4 viser standardene for prosjektering av betongkonstruksjoner i ulike tidsperioder, med antall sider i standarden.
Figur 4-4: Standardene for prosjektering av betongkonstruksjoner i ulike tidsperioder.
NS 427
• 1939
• 26 sider
NS 427 A
• 1963
• 57 sider
NS 3473
• 1973 (1. utg)
• 123 sider
NS-EN 1992-1-1
• 2008
• 242 sider
26 Standarder som benyttes i denne oppgaven:
• NS 3473:2003 6. utgave Prosjektering av betongkonstruksjoner
• NS-EN 1992-1-1:2004+NA:2018 Prosjektering av betongkonstruksjoner
• NS-EN 1991-1-4:2005+NA:2009 Vindlaster
• NS-EN 1991-1-5:2003+NA:2008 Termiske laster
• NS-EN 1998-1:2004+A1:2013+NA:2014 Prosjektering av konstruksjoner for seismisk påvirkning
• NS-EN 1998-2:2005+NA:2014 Prosjektering av konstruksjoner for seismisk påvirkning – Del 2: Bruer
Vold bru vil bli kontrollert etter den gamle standarden for betongkonstruksjoner NS 3473:2003. Eurokode 2 blir benyttet som et supplement og for sammenligning i enkelte kontroller etter NS 3473. Vindlaster og termiske laster beregnes etter dagens standarder.
4.2 Materialer
Vold bru er, som tidligere nevnt, prosjektert etter NS 427 A hvor de opptredende
spenningene kontrolleres mot gitte verdier av tillatte spenninger. Metoden hadde navnet spenningskontrollmetoden, og det var ikke før etter 1973-1974 partialfaktormetoden ble tatt i bruk. Ettersom spenningskontrollmetoden er utdatert og lite kjent, benytter
håndbok R412 kun partialfaktormetoden ved bruklassifisering. For betongbruer som prosjektert og bygget etter 1920, brukes materialfaktorer som vanligvis samsvarer med den gamle betongstandarden NS 3473. [18]
Tabell 4-1: Materialfaktor, ϒm, for betong og armeringsstål. [18]
Bruddgrensetilstand Bruksgrensetilstand Ulykkes- og utmattingstilstand
Armert betong 1,40 1,0 1,20
Armering før 1920 1,50 (1) 1,0 1,32
Armering etter
1920 1,25 1,0 1,10
(1) For brudekker som ikke viser tegn til armeringskorrosjon, kan ϒm = 1,25 benyttes.
4.2.1 Betong
NS 427A kategoriserte betong i åtte klasser fra B100, B150 opp til B450, men uten krav om blandingsforhold og maksimalt v/c-tall. Betegnelsen stod for trykkfasthet i kp/cm2 etter 28 døgn, med krav om at middelverdi etter fem prøver skulle overstige den gitte verdi. Da betongstandard NS 3473 ble utgitt, definerte denne seks fasthetsklasser fra C15 opp til C65. Betegnelsen stod for karakteristisk trykkfasthet til prøveterninger med verdier i MPa. Karakteristisk fasthet var definert gjennom krav om at «det ikke skal være større risiko enn 25% for å akseptere mer enn 10% undermålere» [20]. NS 3473 satte
27
heller ikke krav om maks v/c-tall og en C25 betong tilsvarte omtrent en tidligere B300 betong.
For å kunne benytte partialfaktormetoden ved bruklassifisering av Vold bru, er det nødvendig med sammenheng mellom betongkvalitetene i NS 427 A og NS 3473. For betongbruer som er bygget etter 1945 skal det ikke benyttes fasthetsklasse høyere enn C25, om det ikke er spesifisert i originaltegningene.
Tabell 4-2: Betongens konstruksjonsfasthet for trykk, fcn. [18]
Byggeår
NS 427 (av 1939)
NS 427 A (av 1962)
NS 3473 (av 1973 og senere) Betongkvalitet Betongkvalitet
σc
(kg/cm2) Fasthetsklasse fcn
(N/mm2)
Før 1920 C-betong B 200 40 C 15 11,2
1920-1945 B-betong B 250 45 C 20 14,0
Etter 1945 A-betong B 300 B 350 B 400 B 450
55 60 70 80
C 25 C 30 C 35 C 40 C 45
16,8 19,6 22,4 25,2 28,0
I originaltegningene til Vold bru er betongkvaliteten for bruplate, landkar og
søylefundamenter gitt. Bruplaten, landkaret og søylene har betongkvalitet B350, som tilsvarer fasthetsklasse C30, for normalbetong etter NS 3473. Søylefundamentene har en lavere betongkvalitet og er satt til B250, som tilsvarer fasthetsklasse C20. En endring i senere tid har gjort at NS 3473:2003 kategoriserer fasthetsklassene fra B10, B20, B25, B30 osv. hvor fasthetsklassen tar utgangspunkt i sylinderfastheten til prøvestykket, som er rundt 0,8 ganger terningsfastheten. Dette gjør at CEN- betegnelse C25 tilsvarer NS fasthetsklasse B20, hvor C25 er terningsfasthet og B20 er sylinderfasthet.
Tabell 4-3: Fasthet og elastisitetsmodul for betong i Vold bru. [18] [21]
Betongkvalitet B250(1) B350
C25 [MPa] C30 [MPa]
Karakteristisk terningfasthet Karakteristisk sylinderfasthet Konstruksjonsfasthet for trykk Strekkfasthet
Konstruksjonsfasthet for strekk
fck
fcck
fcn
ftk
ftn
25,0 20,0 16,8 2,10 1,40
30,0 25,0 19,6/20,3(2)
2,35 1,60 Karakteristisk E-modul for kortidslast Ec 23336 24952
(1) Søylefundamenter B250 antas å være omtrent fasthetsklasse C25.
(2) Konstruksjonsfasthet for trykk etter NS 3473.
28
Karakteristiske verdier er oppgitt i NS 3473 og dimensjonerende fastheter bestemmes med materialfaktor for betong, ϒc. Dimensjonerende trykkfasthet fcd og strekkfasthet ftd
bestemmes med henholdsvis konstruksjonsfastheter fcn og ftn.
𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐=𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐 ϒ𝑐𝑐 𝑓𝑓𝑡𝑡𝑐𝑐 =𝑓𝑓𝑡𝑡𝑐𝑐 ϒ𝑐𝑐
Betongens E-modul for korttids- og langtidslaster bestemmes etter punkt A.9.2.1 i NS 3473.
𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐= 9500∗(𝑓𝑓𝑐𝑐𝑐𝑐)0.3 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝐸𝐸𝑐𝑐𝑐𝑐
1 +𝜑𝜑
4.2.2 Armering
I Norge er flere eldre konstruksjoner armert med glattstål, men fra 1958 regner en at betongkonstruksjoner er armert med kamstål. Selv om Vold bru er prosjektert i 1965 kommer det fram i tegninger at det er benyttet bløtt stål St. 37 sammen med kamstål Ks 40 i brua.
Tabell 4-4: Armeringens karakteristiske fasthet, fsk. [18]
Armeringskvalitet St. 37
Glattstål
Ks 40 & Ks 40 S Kamstål
Diameter φ 8-32 mm 8-20 mm 25-32 mm
Flytespenning fsk 230 MPa 400 MPa 380 MPa
Elastisitetsmodul Es 200 GPa 200 GPa 200 GPa
Flytetøyning εsy 1,15 ‰ 2,00 ‰ 1,90 ‰
Det er usikkert hvor stor andel av armeringen som er glattstål, men det kan tenkes at bøylearmering er av typen glattstål St. 37 og at lengdearmering er av typen kamstål Ks 40. I armeringstegningen for underkant armering i bruplaten er bøyler og
lengdearmering vist og denne tegningen beskriver armeringskvalitet St. 37 og Ks 40.
Armeringstegning for overkant armering i bruplaten viser ikke bøyler og denne tegningen beskriver kun armeringskvalitet Ks 40.
Dimensjonerende flytespenning til stålet regnes som:
𝑓𝑓𝑠𝑠𝑐𝑐=𝑓𝑓𝑠𝑠𝑐𝑐 ϒ𝑠𝑠
29
Armeringsoverdekningen i brua varierer for de ulike konstruksjonsdelene.
Armeringstegningene for landkar viser at plater og vegger skal ha 2cm overdekning, mens bjelker skal ha 3cm overdekning. Dette stemmer overens overdekningskravene i NS 427 A for konstruksjoner utsatt for vær og fuktighet, vist i tabell 4-5. Det er dermed rimelig å anta at søylene ble prosjektert med 3,5cm overdekning, uten at dette er beskrevet i tegningsgrunnlag for oppgaven.
Tabell 4-5: Krav til overdekning etter NS 427A. [22]
Konstruksjoner,
utførelsesmåter Plater og vegger [cm]
Bjelker [cm]
Søyler [cm]
Dekket mot vær og fuktighet 1,5 2 3,5
Utsatt for vær og fuktighet 2 3 3,5
Konstruksjonsdeler i nærheten av
sjøvann 3 5 5
I vann, men støpt på det tørre, utsatt
for bølgeslag, is eller vanntrykk 4 5 5
Undervannsstøpning 5 7 7
30
31
Kapittel 5
Laster og lastkombinasjoner
Dette kapittelet redegjør forhvilke lasterog lastkombinasjoner somgjelder forVold bru.
Laster er definert som enhver form som girspennings-og tøyningsendringer på konstruksjonen. Videre klassifiseres lasteneettersin art i håndbok 185og sannsynligheten for at de skal opptre:
• Permanente laster: permanente laster er laster som er tilnærmet konstante over det gitte tidsrommet. Dette kan være laster som egenlast, vanntrykk og jordtrykk.
• Variable laster: variable laster er laster som varierer over tid. Dette kan for eksempel være trafikklaster, og naturlaster som snølast, vindlast og
temperaturlast.
• Deformasjonslaster: deformasjonslaster er laster som er knyttet til påførte deformasjoner. Disse lastenekan være spennkrefter, setninger, svinn, kryp og relaksasjon.
• Ulykkeslaster: ulykkeslaster er laster som kan oppstå ved ulykkessituasjoner og unormale hendelser. Dette kan være laster som kollisjon, eksplosjon, brann og skred.
Ved dimensjonering avkonstruksjonermå det utføres envurdering av hvilke laster som vil påvirke konstruksjonen.Foreksisterende bruer definererhåndbok R412størrelsen på de brukslastene som skal benyttesved klassifisering av bruer på det offentlige vegnett.
Andre aktuellekarakteristiske lasteri denneoppgaven bestemmesi henhold til håndbok 185og norskestandarder.
5.1 Permanente laster
Permanente laster er laster som virker permanent på konstruksjonen,i denne oppgaven er egenlasten den permanente lasten som blir vurdert.Egenlasten på brukonstruksjonen er summen av egenvekten til betong og superegenvekten.
5.1.1 Egenvekt betong
Egenvekten tilbrua ertyngden avalle permanentedelerav overbygningen og
underbygningen til konstruksjonen. ForVold bru utgjørdette tyngdentil den armerte
32
betongen i bruplaten og kantdragere. Tyngdetettheten til armert betong er hentet fra håndbok R412 og settes til:
𝛾𝛾= 25 𝑘𝑘𝑘𝑘/𝑚𝑚3
5.1.2 Superegenvekt
I tillegg til tyngden av konstruksjonen skal andre laster som anses konstante innenfor det betraktede tidsrommet tas med som permanente laster. Superegenvekt regnes som vekten av gangbaner, belegning, autovern, rekkverk og utstyr som ikke vil bli fjernet i brukstiden.
Håndbok 185 fastslår at belegningsvekten fra fuktisolering og slitelaget til brudekket skal legges til egenvekten. Tabell 9 i håndbok 185 viser at for en bru med spennvidde 10 ≤ l ≤ 35 m skal belegningsvekten settes til 3,0 kN/m2, når ÅDT er større enn 2000. For Vold bru beregnes belgeningsvekten med føringsbredden (7,7 m) multiplisert med 3,0 kN/m2. Brua har også stålrekkverk på kantdragerne som legges til superegenvekt. Egenlasten av et stålrekkverk er oppgitt i R412 som 0,5 kN/m. Lasten fra stålrekkverket beregnes som en stripelast langs hver brukant.
5.2 Variable laster
Variable laster vil opptre periodevis på konstruksjonen. I denne oppgaven blir de variable lastene trafikklast, snølast, vindlast, temperaturlast og jordskjelvlast vurdert.
5.2.1 Trafikklaster
Trafikklast er definert i R412 som belastning i vertikal og horisontal retning på kjørebane, skulder, gangbane, sykkelbane og midtdeler. Videre er trafikklast på eksisterende bruer definert som all trafikklast som tillates på det offentlige vegnettet som brukslaster, spesialtransport og engangstransport. [18]
Vertikale laster
De vertikale lastene kan hentes ut fra tabeller i håndbok R412, etter bruas bruksklasse.
Som hovedprinsipp skal alle bruer ha en bruksklasse som forteller den brukslasten brua kan utsettes for uten restriksjoner. [18] Ved klassifisering av bruer benyttes følgende bruksklasser:
• Bruksklasse 10 (Bk10)
• Bruksklasse T8 (BkT8)
• Bruksklasse 8 (Bk8)
• Bruksklasse 6 (Bk6)
Vold bru er prosjektert etter lastforskrift 1/1958 og ligger i dag i bruksklasse, Bk10/60.
Hver bruksklasse består av hjullast, aksellast, boggilast, trippelboggilast, kjøretøylast og vogntoglast. [18] I bruas lengderetning skal lastene plasseres ugunstigst i det snittet som skal undersøkes. Det er kun den mest ugunstige lasten i valgt bruksklasse som skal velges.
33
Tabell 5-1: Ekvivalente laster for bruksklasser (inkl. dynamisk tillegg). [18]
Lasttype Lastkonfigurasjon Bruksklasser Bk
10/60 Bk 10/50
Bk T8/40
Bk 8/32
Bk 6/28
Aksellast kN 100 80 80 60
Totalvekt kN 600 500 400 320 280
Hjullast
HkN
H 80 56 56 42
Aksellast A 160 112 112 84
Boggilast
A1 65 40 40 30
A2 160 112 112 84
a 1,3 1,3 1,3 1,3
Trippelboggilast
A1 70 60 50 40
A2 140 84 84 56
a 1,3 1,3 1,3 1,3
Kjøretøylast
A 40 32 32 24
V 300 280 220 180
Vogntoglast
A 40 32 32 24
V 600 500 400 320 280 L 18,0 16,0 16,0 16,0 16,0
p 6 6 6 6
H= hjullast, A= aksellast, V= totalvekt
34
De vertikale lastene skal plasseres på brua i den mest ugunstige stillingen i tverretning innenfor den tilgjengelige føringsavstanden. [18] Føringsavstanden er den minste horisontale bredde av:
• Avstanden mellom kantstein
• Avstanden mellom kantstein og høy vertikal kant eller føringsskinner
• Avstanden mellom to høye vertikale kanter eller føringsskinner
Et lastfelt med tunge kjøretøy eller vogntog vil ha en bredde på 3,0 m. Den jevnt fordelte lasten fra lett trafikklast på 6 kN/m fordeles på en bredde på 2 m. Dette er vist i figur 5- 1. Maksimalt to lastfelt belastes med aksellaster, kjøretøylaster eller vogntoglaster i henhold til R412. Hjullastens anleggsflate er et rektangel med sidene 0,2 m i
kjøreretningen og 0,6 m i tverretningen. [18]
Figur 5-1: Størrelse på lastens bredde for tungt kjøretøy eller vogntog, og illustrasjon av lett trafikklast. [18]
Horisontale laster
Håndbok R412 fastslår at de horisontale lastene innebærer bremselast, sidelast og sentrifugallast. Disse lastene kan ikke opptre alene og vil kun opptre med de andre vertikale trafikklastene. [18]
Bremselasten virker i bruas lengderetning i høyde med kjørebanen og lasten virker jevnt fordelt over hele kjørebanens bredde. Sidelast er virkningen av skjev eller usymmetrisk bremsing, og beregnes som 25 prosent av bremselasten. Sidelasten opptrer samtidig med bremselasten og tilhørende vertikallast. [18] Sentrifugallast fra kjøretøyer virker samtidig med vertikallastene, men ikke samtidig som bremstelast og sidelast. Vold bru har horisontalkurvatur større enn 1500m og dermed ikke nødvendig å ta hensyn til sentrifugalkraft.
De horisontale lastene er sett bort fra i denne oppgaven fordi Vold bru er kun 60 m lang, med landkar og monolittisk innstøpte søyler, som vil kunne ta opp de horisontale lastene uten særlig påkjenning.
35 5.2.2 Snølast
Håndbok 185 konkluderer med at snølast ikke regnes å opptre samtidig med trafikklast på vegbruer, fergekaier eller gang- og sykkelbruer. Derfor er det sett bort fra snølast i denne oppgaven.
5.2.3 Vindlast
Vindlast på brukonstruksjoner beregnes etter standarden for vind, NS-EN 1991-1-4, i kombinasjon med håndbok 185. Håndbok 185 definerer tre ulike vindklasser under punkt 2.5.2, disse vindklassene er definert etter type bru. Vold bru er en platebru og ligger dermed i vindklasse 1. Vindklasse 1 omfatter at den dynamiske lastvirkning fra vind er ubetydelig og dermed kan neglisjeres.
Vindlasten vil variere geografisk i sin styrke. Tabell NA.4(901.1) viser
referansevindhastighet vb,0 for de ulike kommunene i Norge. Referansevindhastigheten er vindhastighet midlet over 10 minutter i det aktuelle området. Vold bru ligger i Stjørdal kommune og har referansevindhastigheten:
𝑣𝑣𝑏𝑏,0= 26 𝑚𝑚 𝑠𝑠
Referansevindhastigeten er uavhengig av faktorer som vindretning og årstid. For å ta hensyn til disse faktorene blir basisvindhastigheten vb, benyttet, som finnes under NA.4.2(2)P. Ved å multiplisere referansevindhastigheten med ulike vindfaktorer fås basisvindhastigheten.
𝑣𝑣𝑏𝑏= 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑑𝑑𝑑𝑑∙ 𝑐𝑐𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑐𝑐∙ 𝑐𝑐𝑠𝑠𝑐𝑐𝑡𝑡∙ 𝑐𝑐𝑝𝑝𝑑𝑑𝑠𝑠𝑏𝑏∙ 𝑣𝑣𝑏𝑏,0
Videre beregnes stedsvindhastigheten vm fra basisvindhastigheten. Stedsvindhastigheten skal ta hensyn til virkningene av terrengets ruhet, konstruksjonens høyde over terreng og terrengformen. Tabell NA.4.1 beskriver ulike terreng og fra denne tabellen velges bruas ruhetskategori. Området rundt Vold bru består av jorder og spredt bebyggelse, derfor er ruhetskategori II valgt.
𝑣𝑣𝑚𝑚=𝑐𝑐𝑑𝑑(𝑧𝑧)∙ 𝑐𝑐0(𝑧𝑧)∙ 𝑣𝑣𝑏𝑏
Vindkasthastigheten qp blir funnet med stedsvindhastigheten, og faktor for turbulens Iv
og toppfaktor kp. Hvor ρ er luftens densitet, som er lik 1,25 kg/m3. 𝑞𝑞𝑝𝑝= 0.5∙ 𝜌𝜌 ∙ 𝑣𝑣𝑚𝑚2(1 + 2𝑘𝑘𝑝𝑝∙ 𝐼𝐼 𝑣𝑣)
Vindkraften blir deretter beregnet både med og uten samtidighet av trafikklast. For å finne vindkraften i vertikal- og horisontalretning brukes referansearealet Aref.
Referansearealet avhenger av hvilken retning vindlasten virker over en referanselengde L. Referanselengden er i denne oppgaven satt til 1 m. Figur 5-2 viser retninger for vindpåvirkninger på bruer og er hentet fra standarden for vind. Figuren viser også hvordan lengde L, dybde d og bredde b er definert.
