Lågcykelutmattning av samverkansbroar

Transkript

1 ROYAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY DEPARTMENT OF STRUCTURAL ENGINEERING SE STOCKHOLM Lågcykelutmattning av samverkansbroar Tom Thöyrä och Gunnar Tibert KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN INSTITUTIONEN FÖR BYGGKONSTRUKTION TRITA-BKN. Examensarbete 6, Brobyggnad 1997 ISSN ISRN KTH/BKN/EX--6--SE

2

3 Lågcykelutmattning av samverkansbroar En jämförelse mellan konventionell och ny teknik genom provning av tre fullskalebalkar Tom Thöyrä och Gunnar Tibert TRITA-BKN. Examensarbete 6, Brobyggnad 1997 ISSN ISRN KTH/BKN/EX--6--SE

4

5 Förord Förord Detta examensarbete utfördes under sommaren och hösten 1996 på uppdrag av Betong och Stålkonstruktioner AB, BeSt, vid institutionen för Byggkonstruktion avdelningen för brobyggnad på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Författarna vill gärna tacka följande personer vilka varit till stor hjälp på olika sätt: Vår handledare Anders Granström TeknD, BeSt Vår examinator Håkan Sundquist Prof, KTH Nils-Gustav Svensson ByggIng, BeSt Stefan Trillkott Laboratorieföreståndare, KTH Claes Kullberg 1:e forskningsingenjör, KTH Olle Läth Laboratorietekniker, KTH Daniel Hissing Laboratorietekniker, KTH Bert Norlin TeknD Forskarassistent, KTH Peter Collin TeknD, SBI Lars Hamrebjörk CivIng, SBI Stockholm, KTH 1 januari 1997 Tom Thöyrä Gunnar Tibert iii

6

7 Sammanfattning Sammanfattning Detta examensarbete behandlar samverkan mellan stål och betong i broar. En jämförelse görs mellan den traditionella metoden där svetsbultar används för att säkerställa samverkan och en ny metod. Den nya metoden består i att armeringskassetter i bockad mediumplåt utgör form för betongen och fungerar som underkantsarmering i den färdiga farbaneplattan. Armeringskassetterna samverkar med stålbalken genom att de skruvas fast i överflänsen med gängpressande skruvar. Tre samverkansbalkar i full skala tillverkades. En balk byggdes med traditionell teknik med svetsbultar och de båda andra balkarna byggdes med armeringskassetter. Dimensioneringen av dessa balkar gjordes enligt den svenska bronormen, med mål att styra brottet till skjuvförbindarna. Belastningen vid dimensioneringen utgjordes av en statisk punktlast i balkens tredjedelspunkt. Vid provningarna bestämdes dock att balkarna skulle belastas i utmattning. Lasten motsvarade den dimensionerande statiska brottlasten i säkerhetsklass 1. Provningarna blev då en kontroll av hållfastheten vid lågcykelutmattning för skjuvförbindarna. Resultaten från provningarna gav för den traditionella medtoden med svetsbultar, att vid låga lastnivåer åtstadkoms samverkan genom vidhäftning mellan betong och stål. När vidhäftningen släpper uppvisar balken en sämre samverkansgrad än väntat. Samverkansgraden minskade med ökat antal lastcykler och balken gick till slut till brott vid c:a 30 % överlast. Balkarna med armeringskassetter uppvisade inte detta beteende och hade en jämförelsevis bättre samverkansgrad. De uppvisade en näst intill oförändrad samverkansgrad under samtliga lastcykler och balkarna kunde inte drivas till brott. I detta examensarbete ges en beskrivning av hur samverkan i kompositbalkar åstadkoms. Även andra metoder att åstadkomma samverkan mellan betongfarbana och stålbalk utan att använda sig av traditionell metod beskrivs i examensarbetet. Olika beräkningsmetoder för att kontrollera hur nedböjningen och spänningen påverkas när samverkan sjunker behandlas. v

8

9 Summary Summary This Master of Science Thesis deals with composite action between steel and concrete in bridges. A traditional method where stud shear connectors are used to ensure composite action is compared to a new method. This new method includes the use of several reinforcing case profiles in medium sized steel plate, which acts as formwork for the concrete and also as bottom reinforcement in the deck slab. The reinforcing case profiles are connected to the steel beam by self-threading bolts. Three full sized composite beams were constructed. One of the beams was constructed using the traditional method with stud shear connectors and the other beams were constructed using reinforcing case profiles. The dimensioning of the beams was done according to the Swedish bridge code, with the purpose to achieve failure in the shear connectors. At the time of testing it was decided that the beams should be subjected to fatigue loading at the ultimate design load level. The testing then became a check of the shear connectors resistance to low cycle fatigue. The result of the testing was that for the traditional method the composite action at small loads is achieved by adhesion between concrete and steel. When the adhesion broke, the traditional beam showed a lower degree of composite action than expected. The degree of composite action decreased with an increased number of load cycles and the beam failed at a static load 30 % higher than the ultimate static design load. The beams constructed using the new method did not at all behave in the same way. They had a higher degree of composite action compared with the beam constructed using the traditional method. They had an almost unchanged degree of composite action during all load cycles and these beams could not be driven to failure. This Master of Science Thesis gives a an overview of how composite action is achieved in bridges. Other methods than the traditional method with stud shear connectors to achieve composite action between a steel beam and a concrete slab are discussed. Different analysis methods to control the effects on deflection and stresses in the beam when the degree of composite action decreases are also described. vii

10

11 Bakgrund, syfte och avgränsningar Bakgrund TeknD Anders Granström och ByggIng Nils-Gustav Svensson på BeSt, Betong & Stålkonstruktioner AB har under tidsperioden utvecklat ett ny metod att bygga en bro med huvudbalkar i stål och samverkande farbana i betong, s.k. samverkansbro (beskrivs i Kapitel 3). Innan nya lösningar får användas i produktion måste de vara godkända av beslutande myndighet, i detta fall Vägverkets avdelning för bro och tunnel i Borlänge. För att erhålla ett godkännande krävdes att BeSt genomförde fullskaleprov av farbaneplattan. Provningar av farbaneplattan gjordes på KTH. Detta medförde att Vägverket 1996 kunde lämna godkännade på farbanans bärighet mellan balkarna. Andra delar i konstruktionslösningen godkändes ej. Syfte I den svenska normen för broar, BRO 94, föreskrivs att samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta endast får säkerställas med en viss typ av förbandselement s.k. svetsbultar. För att farbaneplattan skall få räknas som verksam tryckzon måste den förses med tvärarmering, s.k. flänsavskiljningsarmering. Syftet med examensarbetet var att undersöka följande: Om skruvförband kan användas istället för svetsbultar för att säkerställa samverkan mellan farbaneplatta och huvudbalk. Om armeringskassetten, vilken fungerar som kvarsittande form, kan utnyttjas som tvärarmering och därigenom minska armeringsbehovet i brons tvärled. Undersökningen gjordes genom att prova tre stycken brobalkar i full skala. Två av balkarna var tillverkade med den nya metoden och en var tillverkad enligt den föreskrivna metoden. Balkarna belastades med stora upprepade laster för att studera hållfastheten vid lågcykelutmattning. Omfattande litteraturstudier av tidigare provningar av samverkanskonstruktioner och befintlig kunskap på området gjordes. En förhoppning är att Vägverket efter genomförda prov kan godkänna de delar av konstruktionslösningen som inte tidigare blivit godkända. Avgränsningar Examensarbetet behandlade utmattningshållfasthet och statisk bärförmåga för två typer av skjuvförbindningar samt flänsavskiljningsbrott. En undersökning gjordes av olika byggmetoder för samverkansbroar där traditionell formsättning inte används. Undersökningen syftade till att jämföra på vilka sätt samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta kan uppnås. Någon jämförelse av beständighet, ekonomi och byggtid för de olika metoderna ingick inte i detta examensarbete. ix

12

13 Innehållsförteckning Innehållsförteckning Förord iii Sammanfattning v Summary vii Bakgrund, syfte och avgränsningar ix Innehållsförteckning xi Beteckningar xvii 1 Inledning Allmänt 1 1. Historik Traditionella metoder att åstadkomma samverkan Vidhäftning och friktion 1.3. Skjuvförbindare för broar Elementbyggda samverkansbroar 7.1 Inledning 7. Prefabricerade farbanor i betong 7.3 Delvis prefabricerade farbanor i betong 8.4 Prefabricerade samverkansbroar i Sverige 9.5 Andra typer av skjuvförbindare för prefabricerade samverkansbroar 11 3 Betong och Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar Inledning Byggmetod Brosystemets huvuddelar Huvudbalkar Armeringskassett Gängpressande skruv Två typer av samverkan Samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta Samverkan mellan armeringskassett och betong Dimensionering av bro utförd med BeSt brosystem Primärt bärsystem 3.6 Dimensionering av farbaneplatta i tvärled Momentkapacitet vid positivt moment 3.6. Momentkapacitet vid negativt moment Tvärkraftskapacitet Skjuvförbindning mellan armeringskassett och betongplatta 4 xi

14 Innehållsförteckning 3.7 Dimensionering av farbaneplatta i längsled Momentkapacitet vid positivt moment Momentkapacitet vid negativt moment Tvärkraftskapacitet Broar byggda med BeSt brosystem Anpassning till olika brogeometrier Lutande farbana Horisontalkurva Vertikalkurva 9 4 Beskrivning av ofullständig samverkan Ekvationer som beskriver ofullständig samverkan Ofullständig samverkan i kompositbalkar Förlust av samverkan i samverkansbalkar med kort spännvidd Samverkanseffektivitet 38 5 Montering av provbalkar Inledning Montering av armeringskassetter Armeringskassetten fästs med låsrigg Borrning av hål och idragning av gängpressande skruv Borrning av resterande hål och idragning av skruvar Kommentarer till monteringen av armeringskassetter Slutsatser om monteringen 45 6 Provning Inledning Försöksuppställning och mätare Belastningsförfarande BeSt-balk Studsbalk BeSt-balk Betongens hållfasthet 55 7 Utvärdering av provningar Inledning Jämförelse mellan beräknad och uppmätt glidning och nedböjning Studsbalken BeSt-balkarna Utmattningshållfasthet Utmattningshållfasthet för studsbalken Utmattningshållfasthet för BeSt-balkarna 61 xii

15 Innehållsförteckning 7.4 Ökning av glidningen under de första pålastningarna Orsaken till dragsprickor i betongplattan i BeSt-balkarna 6 8 Slutsatser 65 A Statiska beräkningar 67 A.1 Beskrivning av beräkningar 67 A. Statiskt system 68 A.3 Materialparametrar 68 A.4 Dimensioner 69 A.4.1 Tvärsnittskonstanter studsbalk 70 A.4. Tvärsnittskonstanter BeSt-balk 70 A.4.3 Tvärsnittskonstanter stålbalk 70 A.5 Stålbalkens tvärsnittsklass 70 A.6 Gjutskedet 71 A.7 Krympning av betongplattan 7 A.8 Provningslast 73 A.8.1 Momentkapacitet 73 A.8. Tvärkraftskapacitet 74 A.8.3 Intryckning under koncentrerad last 75 A.8.4 Dimensionering av ändplåtar 75 A.9 Dimensionering av skjuvförbindning 76 A.9.1 Skjuvförbindning med armeringkassett och gängpressade skruv 76 A.9. Skjuvförbindning med svetsbultar 77 A.10 Kontroll av betongens utmattningskapacitet 78 A.11 Armering för längsgående tvärkraft för BeSt-balk 78 A.1 Armering för längsgående tvärkraft för studsbalk 79 A.13 Minimiarmering i betongplattan 80 A.14 Erforderlig krymparmering i betongplattan 80 B Beräkning av glidning och nedböjning vid ofullständig samverkan 81 B.1 Styvhet för skjuvförbindning med svetsbult 81 B. Styvhet för skjuvförbindning med gängpressande skruv 83 B.3 Beräkning med finit elementmetod för balk med svetsbultar som skjuvförbindare 84 B.4 Beräkning med finit elementmetod för balk med skruvar som skjuvförbindare 85 B.5 Beräkning med analytisk modell för balk med svetsbultar som skjuvförbindare 85 B.6 Beräkning med analytisk modell för balk med skruvar som skjuvförbindare 86 C Gängpressande skruvar och erforderligt åtdragningsmoment 87 C.1 Inledning 87 C. Gängpressande skruvar för metrisk ISO-gänga (M-gänga) 87 C..1 Allmänt 87 xiii

16 Innehållsförteckning C.. Montering 87 C..3 Skruvens utformning 87 C..4 Material och hållfasthet 88 C.3 Bestämning av erforderligt åtdragningsmoment 89 C.3.1 Allmänt 89 C.3. Skruvens brottmoder 89 C.3.3 Kontroll av brottmod för vår skruv 89 C.3.4 Samband mellan åtdragningsmoment och förspänningskraft 90 C.3.5 Provning av skruvens brottmoment 91 C.3.6 Monteringsförfarande 9 D Statisk bärförmåga för skjuvförbindare 93 D.1 Inledning 93 D. Bestämning av statisk bärförmåga för skjuvförbindning med svetsbult 93 D.3 Statisk bärförmåga för skjuvförbindning med svetsbult 95 D.3.1 Statisk bärförmåga genom statistisk analys av en stor mängd prov 95 D.3. Statisk bärförmåga enligt BRO D.3.3 Statisk bärförmåga enligt Eurocode 4 med NAD 96 D.3.4 Jämförelse mellan normer 97 D.4 Inverkan av dragkraft för svetsbultar 99 D.5 Statisk bärförmåga för skjuvförbindning med armeringskassett och skruv 99 D.5.1 Statisk bärförmåga för enskärigt skruvförband enligt BSK D.5. Dimensionerande kapacitet för skruvförband 100 D.6 Inverkan av dragkraft för skruvförband 100 E Skjuvförbindares utmattningshållfasthet 103 E.1 Inledning 103 E. Grundläggande brottmekanik 103 E.3 Svetsbultars utmattningshållfasthet 104 E.3.1 Utmattninghållfasthet genom kurvanpassningar till en stor mängd mätvärden 106 E.3. Umattningshållfassthet enligt BSK E.3.3 Utmattningshållfasthet enlig BRO E.3.4 Utmattningshållfasthet enligt Eurocode E.3.5 Jämförelse mellan normerna 108 E.4 Utmattningshållfasthet för skruvförband med gängpressande skruv 109 E.4.1 Inledning 109 E.4. Umattningsprov med skruvförband 109 E.4.3 Resultat från utmattningsprovning 110 E.5 Jämförelse av utmattningshållfasthet mellan svetsbultar och skruvförband 111 F Tvärarmering 115 F.1 Inledning 115 xiv

17 Innehållsförteckning F. Spjälkning 115 F.3 Längsgående skjuvning 116 F.3.1 Teoretisk modell 116 F.3. Dimensionering av tvärarmering 116 F.3.3 Dimensionerande kapacitet för skjuvsnitt enligt BRO F.3.4 Dimensionerande kapacitet för skjuvsnitt enligt Eurocode 4 med NAD 118 F.4 Tvärarmering för konstruktionslösning med armeringskassett 119 G Lösning av differentialekvationen för normalkraftens fördelning i en samverkansbalk 11 H Finit elementmodell för samverkansbalk med diskreta skjuvförbindare och olinjärt last glidningssamband 15 H.1 Inledning 15 H. Modellering av balk och skjuvförbindare 15 H.3 Val av element 16 H.3.1 Balkelement 16 H.3. Skjuvförbindarelement 17 H.4 Olinjärt last glidningssamband 130 I Härledning av ekvationer som beskriver samverkanseffektivitet 131 I.1 Samverkanseffektivitet 131 I. Spänningsökning på grund av samverkansförlust 133 J Mätresultat 135 Litteraturförteckning 153 xv

18

19 Beteckningar Beteckningar a Area av utmattningsspricka Avstånd mellan enskilda skjuvförbindare A Generell tvärsnittsarea Tvärsnittsarea för svetsbult A Konstant som beskriver ett tvärsnitts egenskaper A 0 Samverkanstvärsnittets area A 1 Tvärsnittsarea för elementdel 1 A Tvärsnittsarea för elementdel A cv Betongens tvärsnittsyta per längdmeter av balken för betraktat skjuvsnitt A e Summan av armeringsareorna tvärs det betraktade skjuvsnittet inklusive böjarmering A eth Skjuvarea för utvändig gänga (muttergänga) A ith Skjuvarea för invändig gänga (skruvgänga) A p Tvärsnittsarea för profilerad plåt per längdmeter av balken A s Armeringsarea A s Tryckarmeringsarea A t Spänningsarea för skruv A w Livarea b w Livbredd c Krökningsradie c n Förhållandet mellan element n:s elasticitetsmodul och referenselementets elasticitetsmodul C Konstant i Paris lag C 1,C Konstanter som beskriver tvärsnittets egenskaper d Diameter på svetsbult eller skruv Effektiv höjd i farbaneplatta E Elasticitetsmodul E c Elasticitetsmodul för betong E ck Karakteristiskt värde på elasticitetsmodulen enligt BBK 94 E cm Elasticitetsmodul för betong enligt Eurocode 4 E s Elasticitetsmodul för stål f bud Dimensionerande brotthållfasthet för skruv f cc Dimensionerande värde på betongens tryckhållfasthet f cck Karakteristisk tryckhållfasthet för betong (BBK 94) f ck Karakteristisk tryckhållfasthet för betong (Eurocode 4) f cf Betongspänning vid fullständig samverkan f cp Betongspänning vid ofullständig samverkan f ct Dimensionerande värde på betongens draghållfasthet f ctk 0.05 Karakteristiskt 5 %-fraktilvärde för betongens draghållfasthet (Eurocode 4). f cu Betongens kubhållfasthet f sf Stålspänning vid fullständig samverkan f sk Karakteristisk värde på armeringens sträckgräns (Eurocode 4) f sp Stålspänning vid ofullständig samverkan f st Dimensionerande värde på armeringens sträckgräns (BRO 94) f yp Sträckgräns för profilerad plåt (Eurocode 4) f yd Dimensionerande värde på stålets sträckgräns (BKR 94) xvii

20 Beteckningar f u Brotthållfasthet för stål f ud Dimensionerande brotthållfasthet för stål F Skjuvkraft Förspänningskraft F d Dimensionerande skjuvkraft mot enskild skjuvförbindare F hr Skjuvkraftsvidd F hrd Dimensionerande skjuvkraftsvidd F hrk Karakteristisk skjuvkraftsvidd F m Maximal skjuvkraft i lastcykler med konstant skjuvkraftsvidd F r Beräknad statisk bärförmåga för en svetsbult F rd Dimensionerande bärförmåga för en skjuvförbindare, svetsbult eller skruv F w Tryckkraft i betongplattan vid ofullständig samverkan F w Tryckkraft i betongplattan vid fullständig samverkan h Svetsbultens längd h 1 höjd elementdel 1 h höjd elementdel h t Avstånd mellan elementens tyngdpunkter h w,mean Medelhöjd på svetsen vid svetsbultens bas H Skjuvflöde I Tröghetsmoment I 1 Tröghetsmomentet för del 1 kring egen tyngdpunktsaxel I Tröghetsmomentet för del kring egen tyngdpunktsaxel. k Styvhet för skjuvförbindare Experimentell friktionskoefficient k axial Axialstyvhet för skjuvförbindarelement i finit elementmodell K Spänningskoncentrationsfaktor Funktion som beror på antalet skjuvförbindare L th Verksam gänglängd m Exponent i samband mellan spänningsvidd och antalet lastväxlingar M Moment av yttre last Åtdragningsmoment M 1 Moment i elementdel 1 M Moment i elementdel M a Lägsta åtdragningsmoment för erforderlig förspänning n Antal skjuvförbindare n i Antal lastcykler med spänningsvidd σ hri N Antal lastväxlingar Normalkraft av yttre last N 1 Normalkraft i elementdel 1 N Normalkraft i elementdel N i Livslängd vid en konstant spänningsvidd σ hri N e Livslängd för svetsbult vid pulserande last N f Teoretisk livslängd för svetsbult vid pulserande last P Punktlast q Skjuvflöde Q Punktlast s Förskjutning mellan stålbalk och betongplatta S y Statiskt moment T Dragkraft xviii

21 Beteckningar T d Dimensionerande dragkraft i en skjuvförbindare T rd Dimensionerande dragkapacitet för en skjuvförbindare u Deformation i balkens längsriktning u s Skjuvdeformation mellan elementdel 1 och elementdel u 1 Deformation, förskjutning, av elementdel 1 u Deformation, förskjutning, av elementdel v pd Bidrag av stålplåt till tvärarmering (Eurocode 4) v Rd Tvärkraftskapacitet för skjuvsnitt v Sd Dimensionerande skjuvflöde genom skjuvsnitt V Vertikal tvärkraft w Nedböjning x Tryckzonshöjd i farbaneplattan y Generell lägeskoordinat α, β Konstanter som beskriver tvärsnittets egenskaper ε Töjning Betongens stukgräns ε cu ε sy Stålets sträcktöjning γ c Partialkoefficient för betong (Eurocode 4) γ n Partialkoefficient för säkerhetsklass (BKR 94) γ s Partialkoefficient för stål (Eurocode 4) γ v Partialkoefficient för svetsbultar (Eurocode 4) η Samverkanseffektiviteten Faktor som beaktar betongens densitet η ps Samverkanseffektiviteten för punktbelastad och fritt upplagd balk K Kmax Kmin, spänningskoncentrationsfaktorns vidd i Paris lag λ Konstant som beskriver egenskaper hos samverkansbalken κ Kollektivparameter vid typiserade lastkollektiv σ Spänning σ hrk Karakteristisk spänningsvidd σ max Maximal spänning σ nom Nominell spänning ρ Tunghet för betong och lättbetong τ Skjuvspänning ω Mekaniskt armeringsinnehåll ω bal Mekaniskt armeringsinnehåll vid balanserad armering ξ Faktor som beskriver läget för punktlast på fritt upplagd balk (varierar mellan 0 och 1) xix

22

23 Kapitel 1: Inledning 1 Inledning 1.1 Allmänt I en samverkanskonstruktion förbinds olika material till att fungera som en statisk enhet. Det kan vara stål som samverkar med betong eller trä. För broar är den vanligaste samverkanskonstruktion en farbana i betong som samverkar med huvudbalkar i stål. En samverkansbalk ger följande fördelar: Lägre konstruktionshöjd för att klara en viss last. Mindre balkdimension Större säkerhet mot överlast jämfört med icke samverkande balk. Optimalt materialutnyttjande och därmed bättre ekonomi. För att stålbalken och betongplattan skall kunna samverka statiskt måste man förbinda betongplattan med stålbalken på något sätt. Detta görs vanligen med s.k. skjuvförbindare (Ramsden, 1986). De traditionella metoderna att åstadkomma samverkan i broar redovisas i Historik I slutet av 1700-talet började man bygga fabriker och andra konstruktioner med oskyddad stomme av järnpelare och järnbalkar. För att öka på brandmotståndet kringgöts balkarna och pelarna med betong, men betongen utnyttjades inte för att öka bärförmågan. En av de första konstruktioner där man använde betong i samverkan med stålbalk var en kanadensisk brobaneplatta från 19 då the Dominion Bridge Company provade en stålbalk med kringgjuten betong, se Figur 1.1. Forskningen om samverkan mellan betong och stål fortsatte och 1930 kunde man med god precision förutse samverkansbalkens verkningssätt. Den första normen publicerades av the American Association of State Highway Officials (AASHO) Den idag mest förekommande samverkansbalken har svetsbultar som skjuvförbindare. Utformningen av denna samverkansbalk kom till genom forskningsinsatser i England av Roger Paul Johnson under åren och har principiellt inte ändrats sedan dess (Ramsden, 1985). Figur 1.1: Kanadensisk brobaneplatta från 19 1

24 Kapitel 1: Inledning 1.3 Traditionella metoder att åstadkomma samverkan Vidhäftning och friktion Traditionell byggmetod för stålbroar innebär att farbaneplattan gjuts direkt mot huvudbalkarna, se Figur 1.. En vidhäftning, adhesion, uppstår då mellan betongen och huvudbalkens överfläns. Vid små laster kan skjuvflödet överföras enbart genom vidhäftningen. Ökas lasterna kommer till slut vidhäftningen att brista. Har vidhäftningen en gång brustit kan den inte återskapas. Därför får en vidhäftning inte tillgodoräknas vid dimensionering av broar (Johnson, 1994). En studie av svenska och kanadensiska broar i brukstillstånd visar att den last för vilken vidhäftningen upphör inte bara beror på lastens storlek utan också på tvärsnittets dimensioner. De svenska broarna med balkhöjder på minst meter visade en god samverkansgrad trots att de inte hade speciella skjuvförbindare mellan farbaneplattan och huvudbalken. För de kanadensiska broarna med låg balkhöjd hade vidhäftningen upphört och de visade på en dålig samverkansgrad. Även då vidhäftningen upphört kan, för vissa lastställningar, en stor del av förskjutningskraften ändå överföras genom friktion (Granström & Bergeå, 1965). Figur 1.: Traditionell utformning av samverkansbro 1.3. Skjuvförbindare för broar För att samverkan mellan betongfarbanan och huvudbalken skall kunna säkerställas i brottgränstillståndet måste en effektiv skjuvförbindning mellan dessa finnas. Skjuvförbindningen måste vara utformad så att den förhindrar både horisontell och vertikal separation. I Sverige har genom åren olika varianter av skjuvförbindare använts. Här ges en beskrivning av fem av dessa med deras egenskaper och för- respektive nackdelar (Ramsden, 1985).

25 Kapitel 1: Inledning 1. Svetsbult Figur 1.3: Svetsbultar Svetsbulten är idag den vanligaste typen av skjuvförbindare och den som föreskrivs i de svenska bronormerna. Orsakerna till att den blivit så populär beskrivs nedan tillsammans med eventuella nackdelar: Segt brott. Lika bärförmåga i såväl tvärgående som längsgående riktning. Lätt och snabb att svetsa på fabrik. Fordrar speciell svetsutrustning. Kräver mycket hög strömstyrka vid svetsning. Kan även svetsas på plats. Känslig för fukt och elektriskt spänningsfall vid svetsning på plats.. Plattstång och bygel Figur 1.4: Plattstång och bygel Mycket stabilt förband. Omfattande svetsning (kälsvets). Tidsödande montering och svetsning. Lämplig att utföra i verkstäder. Lika bärförmåga i såväl tvärgående som längsgående riktning. Medger svetsning med vanlig svetsutrustning. 3

26 Kapitel 1: Inledning 3. T-stump och bygel Figur 1.5: T-stump och bygel Stor bärförmåga. Ej lika bärförmåga i tvär- och längsgående riktning. Omfattande svetsning (kälsvets). Tidsödande montering. Lämplig för verkstadssvetsning. Svetsas med vanlig svetsutrustning. 4. Påsvetsad UNP profil Figur 1.6: Påsvetsad UNP profil Stabilt förband. Segt brott. Ej lika bärförmåga i tvär- och längsgående riktning. Tidsödande montering. Lämplig för verkstadssvetsning. Svetsning med vanlig svetsutrustning. 4

27 Kapitel 1: Inledning 5. Påsvetsad spiral Figur 1.7: Påsvetsad spiral Spiralen är enkel att tillverka. Lämplig för verkstadssvetsning. Kan vara tidsödande att sätta fast. Svetsning med vanlig svetsutrustning. Ett alternativ till påsvetsade skjuvförbindare, som undersökts, är att för broar med prefabricerad betongfarbana limma farbaneelementet till huvudbalken med epoxihartslim. Fördelarna med lim är att det inte krävs någon specialutrustning för att applicera, och att förbandet ger en kontinuerlig skjuvförbindning. Nackdelarna med epoxilim är dock flera och överväger fördelarna: Väderkänsligt arbetsutförande. Styvt förband = sprött brott. Osäkra utmattningsegenskaper. Höga renlighets- och utförandekrav. Hälsorisker. På Tekniska högskolan i Luleå har man utfört försök med element som limmats fast på stålbalkens överfläns. Resultatet av dessa försök visar att limfogen var överstark men att man några millimeter in i betongen erhöll skjuvbrott av spröd karaktär (Collin, 1995). 5

28

29 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Elementbyggda samverkansbroar.1 Inledning De byggmetoder som möjliggör brobyggande utan formbyggnad och i vissa fall omdirigering av trafik som används i dag innebär prefabricering av hela eller delar av farbanan i element. Det som skiljer metoderna åt är om hela tjockleken på farbanan prefabriceras eller om endast en liten del prefabriceras samt hur elementen förankras i varandra och hur farbanan fästs i underliggande huvudbalkar. Oavsett vilken typ av prefabricering som väljs måste man försäkra sig om att produktionsoch konstruktionsmetoden med säkerhet kan ge elementen rätt form så att givna toleranser för inpassningen av elementen kan hållas. Platsgjutning av betongfarbanor är en långsam och arbetsintensiv byggmetod. Den långa tid som färsk betong och övriga detaljer är utsatta för väder och vind medför problem då kvaliteten på arbetet ska säkerställas. Då prefabricerade element används måste lagring och transport av elementen ske på ett sådant sätt att sprickbildning och andra skador på elementet undviks. Kantbalken på broar med prefabricerade element utförs i regel på plats med vanlig formsättning och gjutning (Goldberg, 1987).. Prefabricerade farbanor i betong Prefabricerade farbaneelement kan placeras antingen längs eller tvärs de bärande huvudbalkarna. Samverkan mellan element och huvudbalkar åstadkoms med olika typer av skjuvförbindare som passas in i urtag i elementen. Stora krav ställs på svetsningen av skjuvförbindarna till huvudbalkarna, vilket lett till att nästan all montering av skjuvförbindare sker på verkstad och inte på byggplatsen. Av den anledningen har elementen små toleranser vid tillverkning för att placeringen av skjuvförbindarna vid montering av elementen skall passa. För broar med krökning i horisontalplanet görs huvudbalkarna styckvis raka med knixarna nära mellanstöd (Collin, 1995). Detta innebär att elementen måste göras i form av tårtbitar, vilket ökar kravet på måttnoggrannheten på för elementen. Figur.1: Prefabricerad farbana på stålbalk med försvetsade studs Även om metoden med prefabricerade element har stora krav på toleranser har de en stor fördel och det är att byggtiden förkortas. En jämförelse mellan tidsplanerna för en bro i tre spann byggd på två olika sätt, dels platsgjuten samverkansbro och dels samverkansbro med prefabricerad farbana, ger att en tidsvinst på c:a 6 veckor kan åstadkommas (Collin, 1995). 7

30 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar För att koppla ihop två farbaneelement med varandra finns det flera olika metoder att tillgå. Vanligtvis används någon typ av mekanisk koppling. Några av metoderna är: Elementen utförs med utstickande armeringsöglor, se Figur.4. Öglorna görs så långa att en överlappning erhålls. Runt och genom överlappningen läggs slakarmering i fogens längsled. Fogen igjuts sedan med epoxicement. Elementen förbinds med hjälp av spännarmering då två eller flera element spänns ihop. Fogarna behöver då endast tätas med t.ex. epoxicement, mest för att förhindra angrepp på spännarmeringen. Elementen har speciella ändytor som låser ihop elementen. Fogarna på sådana element behöver inte armeras utan de fylls bara med epoxicement. En sådan fog kan ändå att ta upp tvärkraften. För att ta tvärkraften görs ändarna med en infasning mitt i elementens ändar, se Figur. (Collin, 1995). Epoxicement Täckande gummiduk Prefabricerade element Figur.: Element med oarmerad fog.3 Delvis prefabricerade farbanor i betong Ett alternativ till fullständig prefabricerad farbana är att endast en del av farbanan prefabriceras. Med delvis prefabricering av farbanan innebär att endast den undre delen av farbanan görs som prefabricerade element. Denna del, kan vara hela farbanans bredd eller delen mellan huvudbalkarna, se Figur.3, fungerar som kvarsittande form som tar upp belastningar under byggskedet och tyngden av betongen då resterande tjocklek av farbanan gjuts. Den prefabricerade delen utförs på ett sådant sätt att hela farbanan kan betraktas som en homogen enhet med full statisk samverkan mellan den prefabricerade och den platsgjutna delen. Statisk samverkan mellan prefabricerad del och platsgjutna delen fås genom att ytan på den prefabricerade delen görs skrovlig och ingen mekanisk skjuvförbindare behövs därför (Bryan et al, 1988). Med denna metod elimineras behovet av formbyggnad under bron och byggtiden minskas. Metoden med delvis prefabricerade farbanor började att användas i början av 50- talet. De äldsta broarna med delvis prefabricerade farbanor är ungefär 40 år och fortfarande fungerar konstruktionerna bra (PCI, 1988). 8

31 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Platsgjuten armerad betong Tvärled Prefabricerat betongelement Figur.3: Prefabricerat underdel av farbana Vanligt är att den prefabricerade delen spännarmeras. Spännarmeringen gör att elementen kan klara större spännvidder än vad man skulle klara med element utan spännarmering. Spännarmeringen i elementen ersätter all erforderlig underkantsarmering i plattans tvärled. Försök med delvis prefabricerade farbanor har visat på goda utmattningsegenskaper (Bryan et al, 1988) och av den anledningen behöver inte elementen någon speciellt utformning för att klara utmattning..4 Prefabricerade samverkansbroar i Sverige Två exempel på broar med prefabricerade farbanor (Zhu, 1993) är en bro över ån Flaxnan nära Grängsbo och en bro över Ljungan nära Kölsillre. Metoderna för byggandet av dessa två broar liknar varandra ganska mycket, det enda som skiljer dem åt är hur farbanans element har sammanfogats. I båda broarna är farbanan uppdelad i tvärgående element som läggs på underliggande längsgående stålbalkar, se Figur.1. Varje element hade hål eller urtag för de på huvudbalkarna svetsade skjuvförbindarna. Svetsbultarna placerades i grupper med största c-c avstånd på 500 mm. Verkstadssvetsning användes för att erhålla en tillräcklig kvalitet på svetsningen, men detta medförde att det ställdes stora krav på toleranser och inpassningen av farbaneelementen. Genom urtagen i elementen gick armering både längs och tvärs bron. Hålen runt skjuvförbindarna fylldes sedan med epoxicement. För bron över Flaxnan, en bro i 4 spann med en total brolängd på 158 m, användes spännkablar för att sammanfoga elementen. Urtagen för skjuvförbindarna gjöts i efter det kablarna spännts. Utrymmet i fogarna fylldes innan kablarna spänndes för att erhålla en jämn tryckkraft mellan elementen. Tanken med att använda spännarmering var att den skulle förbättra förmågan att överföra tvärkrafter mellan elementen och för att möjliggöra sprickfri farbana vid brukslaster. Kraven för spännarmering i Bronorm 88 gjorde att spännarmeringen för bron över Flaxnan både blev krånglig att utföra samt ganska dyr. Därför bestämdes att bron vid Kölsillre inte skulle utföras med spännarmering. I stället sammanfogades elementen genom att elementfogarna armerades och gjöts i på plats. Elementen utfördes med s.k. tungor vilka fungerade som en permanent form för igjutningen av elementfogen, se Figur.4. 9

32 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Farbana Hårnålsarmering Tunga Figur.4: Elementfog med tungor Fogarna tätades innan gjutning med en typ av gummiskum för att förhindra läckage av den färska betongen. För att säkerställa kontinuiteten av den längsgående armeringen hade varje element hårnålsarmering som överlappade varandra, se Figur.4. Genom överlappningen lades sedan armeringsjärn tvärs bron för att förbättra fogen. Det skall nämnas att fabrikanterna av dessa prefabricerade element upplevde en del svårigheter med tillverkning av element med tungor och armeringsöglor. Först var de tvungna att använda en mera lättflytande betong i det undre lagret för gjutningen av tungorna, sedan medförde armeringsöglorna att själva formbyggandet blev mera komplicerat och tidskrävande. Av dessa anledningar kunde inte de givna toleranserna hållas. Även om broar med spännarmerade prefabricerade farbanor kan bli lite dyrare än en traditionell samverkansbro skall inte metoden förkastats. Genom spännarmering kan man erhålla farbanor med mycket goda egenskaper. Det är inte bara förmågan att ta tvärkrafter som förbättras utan även konstruktionens förmåga att ta negativa moment. Prefabricerade farbanor kan jämfört med platsgjutna farbanor ha större betändighet. Genom att man har en bättre kontroll på de ingående materialen kan en högre hållfasthet på betongen erhållas. En viktig sak att minnas är att prefabricerade farbanor blir mer ekonomiskt lönsamma vid återkommande form på elementen. Att prefabricerade broar har många element med lika form är dock inte så vanligt. Ett exempel på detta är Harriman Interchange Ramp (Biswas). Denna vägramp har en 44 m lång horisontalkurva och den har även en vertikalkurva. Varje individuellt farbaneelement var skevt både horisontellt och vertikalt. Baserat på konstruktionsritningar och inmätningar i fält var entreprenörerna tvungna att konstruera ett datorprogram för beräkning av formen på varje element och plottning av varje element för kontroll. Dessa data infogades i betongritningarna och varje element var sedan prefabricerade därefter. Om element som skall tillverkas endast har en skevhet, i horisontalplanet, på mindre än c:a 15 grader brukar dessa inte tillverkas skeva. Sådana element blir på plats sågade till rätt skevhet (Goldberg, 1987). 10

33 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar.5 Andra typer av skjuvförbindare för prefabricerade samverkansbroar De vanligaste skjuvförbindarna är som tidigare nämnts svetsbultar. För platsgjutna samverkansbroar och broar med prefabricerad farbana är det i Sverige endast tillåtet att använda sig av svetsbultar som skjuvförbindare. Detta underkapitel handlar om andra typer av skjuvförbindare till farbanor av prefabricerade element som förekommer utomlands. Figur.5: Tvärsektion av viadukt i Hannover, Tyskland Figur.6: Höghållfasta skruvarsom skjuvförbindare, Hannover Tyskland För en viadukt i Hannover, Tyskland, användes höghållfasta skruvar som skjuvförbindare. Denna bro är av typen öppen låda och på stålet har man först lagt ut epoxicement på överflänsen och sedan dragit fast elementen med skruvar (Biswas). Samverkan mellan element och huvudbalkar då skruvar används som skjuvförbindare sker i bruksgränstillstånd genom friktion men skruvarna skall kunna ta upp skjuvflödet om friktionen av någon anledning skulle släppa. I brottgränstillståndet tas skjuvflödet av skruvarnas bärförmåga (Johnson & Buckby, 1987). Amsterdam Interchange Bridge är en bro i fyra spann, med två olika typer av skjuvförbindare. Den typ av skjuvförbindare som mest användes var i fabrik fastsvetsade UNP profiler. Farbanans element lades på plats på epoxicement och drogs provisoriskt an mot stålbalken med hjälp av en typ av fjäderklämmor, se Figur.9. Urtagen i elementen kring skjuvförbindarna gjöts sedan i med epoxicement. För överföring av tvärkraft mellan elementen användes en oarmerad fog, se Figur. (Biswas). 11

34 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Figur.7: Prefabricerad farbana med UNP profil som skjuvförbindare, planvy, Amsterdam Figur.8: Prefabricerad farbana med UNP profil som skjuvförbindare, sektion A-A, Amsterdam Figur.9: Prefabricerad farbana med UNP profil som skjuvförbindare, sektion B-B, Amsterdam 1

35 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Den andra typen av skjuvförbindare som på vissa ställen provades var att fästa elementen med hjälp av skruvar i stålbalken, se Figur.10 och Figur.11. De farbaneelement som användes för detta hade ingjutna stålprofiler vilka bildade ram och mothåll åt skruvarna när de monterades. Figur.10: Farbana med skruvar som skjuvförbindare planvy, Amsterdam Interchange bridge Fördelen med denna metod var att hålen för skruvarna borrades på plats och större toleranser kunde användas vid prefabriceringen av elementen. Skruvarna täcktes därefter med epoxicement som skydd och för avjämning av farbanan. När skruvarna skulle dras åt var det problem att komma åt med de verktyg som användes. Detta berodde delvis på underliggande stålkonstruktion men också på hur skruvarna placerades. Av den anledningen kunde det inte med säkerhet sägas om föreskrivet åtdragningsmoment erhölls. Figur.11: Farbana med skruvar som skjuvförbindare sektion A-A, Amsterdam Interchange bridge 13

36 Kapitel : Elementbyggda samverkansbroar Figur.1: Farbana med skruvar som skjuvförbindare sektion B-B, Amsterdam Interchange bridge 14

37 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar 3 Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar 3.1 Inledning Betong & Stålkonstruktioner AB (BeSt) har utvecklat en ny metod att bygga broar med huvudbalkar av stål och samverkande farbana av betong. Metoden kallar de BeSt brosystem. Brosystemet skiljer sig på flera punkter, vilka beskrivs i detta kapitlet, från en samverkansbro i traditionellt utförande. De provningar av brosystemet som vi har utfört innefattar bara två av dessa punkter nämligen skjuvförbindningen och armeringskassettens förmåga att fungera som tvärarmering. För att kunna förstå provkropparnas och de ingående delarnas utformning måste man dock ha brosystemets uppbyggnad och verkningssätt klart för sig. Detta kapitel är skrivet med målet att på ett någorlunda kortfattat sätt ge en beskrivning av brosystemet. I kapitlet beskrivs hur en vägbro byggs med brosystemet. De delar som ingår förklaras närmare och slutligen beskrivs det tänkta statiska verkningssättet och hur en dimensionering utförs. 3. Byggmetod Här visar vi steg för steg hur en vägbro i ett fack med underliggande huvudbalkar i stål och samverkande farbana i betong byggs med brosystemet. Steg I: Huvudbalkarna i stål lyfts på plats med mobilkranar. Vid långa spännvidder eller flera fack lanseras balkarna ut. SNITT A Figur 3.1: Steg I: Huvudbalkarna monteras 15

38 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar Steg II: Armeringkassetterna läggs ut på huvudbalkarna och fästs provisoriskt till dessa med skjutspik. SNITT A Figur 3.: Steg II: Armeringskassetterna läggs ut och fästs provisoriskt med skjutspik Steg III: Erforderligt antal hål borras genom armeringskassett och överfläns. Gängpressande skruvar dras fast i hålen med skruvdragare till korrekt åtdragningsmoment. Skarven mellan kassetterna täcks ovanifrån med en neoprentejp. En kantbalk i bockad mediumplåt, vilken fungerar som formsida, fästs i armeringskassettens ändar med självborrande skruv. SNITT A Figur 3.3: Steg III: Armeringskassetterna skruvas fast, skarven mellan dessa tejpas och kantbalken monteras 16

39 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar Steg IV: Farbaneplattan armeras. I underkant armeras plattan endast i längsled och armeringsjärnen placeras i de stansade urtagen i armeringskassetterna. Plattan i övrigt armeras på vanligt sätt. Steg V: Plattan gjuts SNITT A Figur 3.4: Steg IV: Plattan armeras SNITT A Figur 3.5: Steg V: Plattan gjuts 17

40 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar 3.3 Brosystemets huvuddelar En samverkansbro byggd med brosystemet skiljer sig från en samverkansbro med traditionellt utförande på de tre huvuddelarna: Huvudbalkarna Farbaneplattan Skjuvförbindningen Huvudbalkar Huvudbalkarna i brosystemet kan ha två olika utföranden, se Figur 3.6. Alternativ 1 Alternativ a Alternativ b Figur 3.6: Alternativ utformning av huvudbalkar Väljs en huvudbalk med I-tvärsnitt enligt alternativ 1 måste överflänsens tjocklek vara större än skruvlängden, d.v.s. skruven monteras i bottenhål. Denna begränsning görs med avseende på estetik och beständighet och innebär att en optimering av tvärsnittet knappast kan göras. En I-balk kräver ofta många avstyvningar och tvärförband för att klara av funktionskraven vilket fördyrar bron. Väljs en huvudbalk med lådtvärsnitt enligt alternativ a kan flera fördelar jämfört med alternativ 1 erhållas (Granström & Svensson, 1993): Antalet tvärförband kan reduceras då vrid- och sidostyvheten ökar jämfört med I-balkar. Risken för vippning minskar då vrid- och sidostyvheten ökar Flänsarna kan göras bredare utan att de bucklar balkhöjden kan pressas Skruvarna kan monteras i genomgående hål större noggrannhet vid förspänning av skruvarna. Ingen kontroll av borrdjup erfordras risken för felaktig montering minskar. Balkliven blir inspända i flänsarna mot buckling vilket reducerar den ökade stålvikten av ett extra liv. Lådbalken kan efter montering fyllas med betong enligt alternativ b, vilket resulterar i att brons temperaturförändras som en betongbro med minskade temperaturrörelser som följd. Betongfyllningen förhindrar dessutom att balkliven bucklar och ökar den mothållande tröghetskraften vid en påkörning av någon av huvudbalkarna. 18

41 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar 3.3. Armeringskassett Armeringskassetterna som placeras intill varandra i brons tvärled har tre uppgifter: Att tjänstgöra som arbetsplattform före och under gjutning. Att tillsammans med kantbalken fungera som en självbärande form för betongen. Att fungera som huvudarmering och skjuvarmering i farbaneplattans huvudriktning (brons tvärled). Armeringskassetterna är tillverkade av stål i klass SS 13 eller SS 134. De framställs, beroende på plåttjocklek och längd genom kantbockning eller rullformning. Armeringskassetterna varmförzinkas och målas i valfri kulör innan montering (Granström & Svensson, 1994). I Figur 3.7 visas två stycken utföranden på armeringskassetten. Armeringskassetter med 4-6 mm plåttjocklek är avsedda för vägbroar medan den med 3 mm plåttjocklek är tänkt att användas till GCM-broar. Av Figur 3.7 framgår också att det i överkant av armeringskassetten finns urtag stansade var 50:e mm (Granström & Svensson, 1993). Urtagens funktion beskrivs i 3.4. och Figur 3.7: Armeringskassetternas dimensioner Gängpressande skruv För att säkerställa samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta används gängpressande skruvar. Skruvarna monteras i hål som på plats borras genom armeringskassetten och huvudbalkens överfläns. Hålens diameter är mindre än skruvens nominella diameter eftersom skruven själv pressar en gänga i överflänsen. På detta sätt fås inget spel mellan skruv och fläns i det skruvförband som armeringskassetten och överflänsen utgör. Flänsen fungerar som en stor mekanisk låsmutter. I Bilaga C finns en utförlig beskrivning av gängpressande skruvar. 19

42 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar 3.4 Två typer av samverkan För en traditionell samverkansbro är det enbart samverkan mellan farbaneplattan och huvudbalkarna som avses. För en bro byggd med detta brosystem är det däremot inte en utan två samverkanstyper som är aktuella, dels samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta, dels samverkan mellan betong och armeringskassett Samverkan mellan huvudbalk och farbaneplatta Samverkan mellan huvudbalkarna och betongfarbanan säkerställs inte med svetsbultar och tvärarmering, som i bro med traditionellt utförande. Istället fästs armeringskassetterna till huvudbalken med gängpressande skruvar. Det skruvförband som överflänsen och armeringskassetten utgör kan både förhindra vertikal separation och föra över horisontellt skjuvflöde (Granström & Svensson, 1993). Man skulle kunna använda svetsbultar som skjuvförbindare genom att placera dem i stansade hål i kassettbotten men går då miste om de fördelar som skruvarna ger: Montering av skruvarna i hål som borras på plats innebär att större toleranser kan användas och det blir därmed lättare att ta hänsyn till summerade måttavvikelser och avvikelser från ritningar. Svetsbultar och andra diskreta skjuvförbindare gör att koncentrerade krafter förs in på små ytor i betongplattan och kross- samt spjälkspänningar uppstår (se Bilaga F). Med skruvar förs de koncentrerade krafterna enbart in i armeringskassetten. Den kan sedan p.g.a. stor styvhet i farbaneplattans plan fördela ut de koncentrerade krafterna i skruvförbandet på en större bredd av bron. Styvheten ökar ytterligare genom att ameringskassetten samverkar med betongen. Då kraften fördelas ut på en större bredd av bron minskar de lokala spänningarna avsevärt (se Bilaga F). Samtidigt kan särskild flänsavskiljningsarmering undvaras, vilket medför att armeringen i tvärled kan reduceras. σ c σ c + σ c τ τ Figur 4.8: Samverkan mellan betongfarbana och huvudbalken Krafterna i skruvförbandet förs därefter över till betongen genom anliggningstryck mot armeringskassettens liv. De från brons ände summerade anliggningstrycken bygger tillsammans upp tryckkraften i betongfarbanan. Om man antar att endast de nedre 10 mm av betongen tar anliggningstryck blir tryckspänningen bara 10 MPa. De lokala betongtryck- 0

43 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar spänningarna förs sedan upp i plattan genom tryckspänningstrajektorier som bygger upp tryckzonen, se Figur 3.9 (Granström & Svensson, 1993). σ c Lokala betongtryckspänningar Figur 3.9: Uppbyggnad av betongtryckzonen genom sneda trycktrajektorier och lokala betongtryckspänningar 3.4. Samverkan mellan armeringskassett och betong Plåt som fungerar som kvarsittande statiskt samverkande form i bjälklag har länge använts. För dessa samverkansbjälklag har samverkan säkerställts genom plåtprofilens form och genom att förse plåten med en stor mängd intryckningar. För de laster som uppträder i byggnader fungerar intryckningar utmärkt som skjuvförbindare, men hur väl de fungerar vid upprepade stora belastningar är inte utrett (Hellers, 1986). En skjuvförbindning genom intryckningar i plåten är således ej aktuell för broar. Förankringen mellan plåten och betongen måste kunna föra över horisontellt skjuvflöde och förhindra vertikal separation och fungera även efter många belastningar. Armeringskassettens överflänsar hindrar betongen att lyfta från armeringskassetten. Överföringen av det horisontella skjuvflödet sker genom att den längsgående armeringen som är placerad i de stansade urtagen hakar tag i armeringskassetten, vilket framgår av Figur Figur 3.10: Samverkan mellan betongplattan och armeringskassetten 1

44 Kapitel 3: Betong & Stålkonstruktioners brosystem för väg- och järnvägsbroar Provningar av farbaneplattans verkningssätt genomfördes 199 på KTH. Resultaten visar på en god samverkan mellan betongen och armeringskassetten och utmärkt utmattningshållfasthet för hela farbaneplattan (Granström & Svensson, 1993). 3.5 Dimensionering av bro utförd med BeSt brosystem För att bättre kunna förstå det statiska verkningssättet redogörs nedan hur en dimensionering av en bro går till. Denna dimensionering är dock ej fullständig utan de delar som skiljer brosystemet från traditionellt utförande har valts ut Primärt bärsystem Det primära bärsystemet för en samverkansbro med brosystemet skiljer sig inte så mycket från en traditionell samverkansbro. Den medverkande bredden för farbaneplattan väljs enligt BBK 94. När armeringskassetterna monteras läggs de dikt emot varandra eller med en avsiktlig distans emot varandra. Eftersom de inte fästs till varandra utan bara till huvudbalken så kan det inte garanteras att tryckkrafter överförs genom anliggningstryck mellan kassettliven. Den delen av farbaneplattan som kan ta tryckspänningar, tryckzonen, minskas således med livhöjden på armeringskassetten enligt Figur Denna tvärsnittreduktion medför att neutrala lagret förflyttas nedåt och skjuvflödet i gränsytan mellan betongplattan och stålbalken beräknas då enligt ekv (3.1). b ef b fl b ef C L A pl TP y tp Figur 3.11: Verksam tryckzon och medverkande flänsbredd H VA y pl = I x tp (3.1) 3.6 Dimensionering av farbaneplattan i tvärled Momentkapacitet vid positivt moment Vid dimensionering av farbaneplattans kapacitet för positivt moment i tvärled bortses från eventuell armering i överkant. På säkra sidan antas endast armeringskassettens underfläns balansera tryckkraften i betongen. Underflänsens area är så stor att den i de flesta fall alltid är tillräcklig, men andra betraktelsesätt är också möjliga. För att brottet skall bli segt kontrolleras att tryckzonen räcker till för att balansera dragkraften då underflänsen uppnått sträckgränsen. Spänningsfördelningen framgår av Figur 3.1.