Underhållsfria material i broöverbyggnader

Transkript

1 Underhållsfria material i broöverbyggnader Fördelar ur kostnads- och miljösynpunkt vid användning av rostfritt stål och direktgjuten slitbetong Maintenance-free material in bridge superstructures Benefits in a cost- and environment prospective in use of stainless steel and directly molded durable concrete Författare: Jeanette Säll Anna Tiderman Uppdragsgivare: Handledare: Projektengagemang Anläggningsunderhåll AB Jonatan Paulsson Tralla, Projektengagemang Anläggningsunderhåll AB Ali Farang, KTH ABE Examinator: Examensarbete: Sven Henrik Vidhall, KTH ABE 15 högskolepoäng inom Byggteknik och Design Godkännandedatum: Serienr: 2013;64

2

3 Sammanfattning En stor del av Trafikverkets budget går till att reparera och underhålla våra broar. Underhållsåtgärder orsakar också trafikproblem med stora miljöutsläpp och samhällskonsekvenser som följd. Eftersom broar vanligtvis dimensioneras för en lång livslängd på 120 år är det viktigt att planera för långsiktiga lösningar och förutse konsekvenserna av kommande underhållsåtgärder. Genom att använda mer underhållsfria material finns möjligheten att minska kostnaderna och koldioxidsläppen. Målet med examensarbetet är att ta reda på hur stora besparingarna är genom att svara på frågan: Vilka fördelar erhålls av att använda mer underhållsfria material i broöverbyggnader ur kostnadsoch miljösynpunkt?. Syftet är att påvisa hur stora kostnadsbesparingarna och de minskade koldioxidutsläppen kan bli för att underlätta för berörda parter i branschen att planera för långsiktigare lösningar. För att besvara målformuleringen jämförs överbyggnaden hos en konventionellt utförd samverkansbro med huvudbalkar av stål och broplatta av betong med alternativa material. Grunden för undersökningen utgörs av överbyggnaden hos en samverkansbro med huvudbalkar av stål och broplatta av betong. Överbyggnaden utförs med sex olika materialkombinationer med mer eller mindre underhållsfria material. Materialen som ingår i undersökningen är vanligt kolstål och rostfritt stål, betong och modern injekteringsbetong samt asfalt och slitbetong. Överbyggnaden dimensioneras, enligt den europeiska standarden Eurokod, med samtliga materialkombinationer för att fastställa materialmängderna. Materialmängderna ligger till grund för att bestämma rimliga kostnader och koldioxidutsläpp som beräknas, analyseras och jämförs i en livscykelkostnadsanalys och en livscykelanalys. Resultatet visar att en bro byggd med konventionella material ger en sammanlagd kostnad under sin livstid som är mer än dubbelt så stor jämfört med en mer underhållsfri bro med rostfritt stål i både balkar och armering samt slitbetong som beläggning istället för tätskikt och asfalt. Ur miljösynpunkt är den underhållsfria bron med rostfritt stål redan från början ett bättre alternativ med mindre koldioxidutsläpp tack vare att mindre mängder material behövs för att klara av samma laster. Det resulterar i att den alternativa bron är ett bättre val både ur kostnads och miljösynpunkt med ett livscykelperspektiv. Nyckelord: Underhåll, överbyggnad, samverkansbro, livscykelanalys, livscykelkostnadsanalys, rostfritt stål, rostfri armering, modern injekteringsbetong, direktgjuten slitbetong I

4 II

5 Abstract Bridges of today require high maintenance which leads to high costs and big environmental emissions. To secure the structures sustainability the magnitude of future maintenance should be considered to the initial investment, both in an environmental point of view and costs. Increased quality usually leads to higher initial cost, but savings maybe possible in a long term perspective if the maintenance can decrease. Bridges has a life span on 120 years. Therefor decreased maintenance could imply a vital saving. The purpose of this thesis is to analyse costs and carbon dioxide emissions of a bridge superstructure in a composite bridge with different materials in a life cycle perspective. The investigated materials is carbon steel and stainless steel, traditional concrete and modern prepakt concrete and also asphalt and directly cast concrete surfacing. Six various bridges has been designed to compare the different materials. The calculations have been performed due to the European standards, Eurocode. Investigations of the ingoing materials impact on the environment has been measured in a simplified life cycle assessment, LCA. Emphasis on the analyse has been on the carbon dioxide emissions. To measure the costs a life cycle cost, LCC, has been performed. The result of the investigation shows that a bridge with conventional materials in the end of its life cycle has cost twice as much as the bridge with stainless steel in both reinforcement and beams. In an environmental view the alternatives with stainless steel is better from the beginning. That is thanks to less materials are needed for the same loads. The result shows that the bridge with alternative materials is better account of cost and environmental views. Key words: Maintenance, bridge superstructure, composite bridge, life cycle assessment, life cycle cost, stainless steel, stainless reinforcement, modern prepakt concrete, directly cast concrete surfacing III

6 IV

7 Förord Detta examensarbete på 15 högskolepoäng avslutar högskoleingenjörsprogrammet Byggteknik och Design med inriktningarna Konstruktion och Anläggning vid Kungliga Tekniska Högskolan och har utförts på uppdrag av Projektengagemang Anläggningsunderhåll AB. Ett stort tack riktas till vår handledare Jonatan Paulsson Tralla från Projektengagemang för sin enorma kunskapsbank och vägledning genom arbetet. Vi vill även tacka: Stefan Moström för din assistans under dimensioneringen samt tillhandahållandet av alla Eurokoder. Ditte de Bachtin för introduktionen i BaTMan och information om allmänt brounderhåll. Övriga anställda på Projektengagemang som varit till stor hjälp under arbetet. Fredrik Ling på ML Smide för det informativa besöket om svetsning av rostfria stålbalkar. Samtliga leverantörer som bistått med prisuppgifter och kunskap. Slutligen vill vi tacka vår handledare från KTH ABE Ali Farhang och vår examinator Sven Henrik Vidhall för era vägledningar och rekommendationer. Haninge, juni 2013 Anna Tiderman Jeanette Säll V

8 VI

9 Innehåll Symboler och förkortningar... 1 Romanska versaler och gemener... 1 Grekiska versaler och gemener Inledning Bakgrund Målformulering Syfte Avgränsningar Metoder Nulägesbeskrivning Faktainsamling Definition av samverkansbroar och överbyggnadskonstruktioner Livscykelanalys, LCA Livscykelkostnadsanalys, LCC Betong Framställning Egenskaper och beständighet Miljöpåverkan Modern injekteringsbetong Användning av injekteringsbetong i framtiden Stål Framställning Miljöpåverkan Korrosion Rostskyddsmålning Andra rostskyddande åtgärder Rostfritt stål Armering Rostfri armering Dagens underhåll av samverkansbroar Genomförande Dimensionering Avgränsningar VII

10 3.1.2 Allmänna förutsättningar Bestämning av trafiklast och indelning av körbanan i lastfält Beräkning av dimensionerande moment och tvärkraft på en stålbalk Dimensionering av stålbalken under gjutstadiet innan samverkan uppstår Kontroll av böjspänningar i samverkanstvärsnitt Beräkning av dimensionerande moment och tvärkraft på brobaneplattan Beräkning av armeringsbehov i brottgränstillstånd Framtagning av kostnader för LCC Underhållskostnad Beräkning av koldioxidutsläpp för LCA Resultat och analys Sammanställning av materialmängder Livscykelkostnadsanalys LCC Livscykelanalys LCA med fokus på koldioxidutsläpp Diskussion Slutsatser Förslag på fortsatta studier Källhänvisning Bilagor VIII

11 Symboler och förkortningar A s B b b eff b ekv c min,dur c min,b d d g E cm E s f ck f ctm f y f yd f yk f yw G k g k I k 1 k 2 L M b,rd,y M Ed m n 0 n L Q k q k Q ki q ki R A, R B R a, R b S ö, S u s V Rd,max Romanska versaler och gemener Armeringsarea Fri bredd Halva bredden Medverkande betongflänsbredd i samverkanstvärsnitt Ekvivalent bredd i samverkanstvärsnitt Minsta täckande betong skikt mht miljöpåverkan Minsta täckande betong skikt mht vidhäftning Effektiv höjd Maximal ballaststorlek Elasticitetsmodul för betong Elasticitetsmodul för stål Karakteristisk tryckhållfasthet Axial draghållfasthet för betong Sträckgräns för stål Dimensionerande sträckgräns för armering Karakteristisk sträckgräns för armering Sträckgräns för stållivet Karakteristiskt värde på egentyngd, punktlast Karakteristiskt värde på egentyngd, utbredd Tröghetsmoment Nationell parameter som tar hänsyn till vidhäftningsegenskaper Nationell parameter som tar hänsyn till fördelning av töjningar Spännvidd Momenkapacitet kring styva axeln y Moment av last Relativa momentet E s /E cm Förhållandet mellan betongens och stålets E moduler Karakteristiskt värde på variabel last, punktlast i längdled Karakteristiskt värde på variabel last, utbredd last i längdled Karakteristiskt värde på variabel last, punktlast i tvärled Karakteristiskt värde på variabel last, utbredd last i tvärled Stödreaktioner från upplagen Stödreaktioner från stålbalkarna Statiska momentet ovan respektive under mittaxeln Centrumavstånd armeringsjärn Tvärkraftskapaciet med avseende på livtryckbrott 1

12 V ed w W ply z Dimensionerande tvärkraft Fri körbanebredd Plastiskt böjmotstånd i y led Neutrala lagrets höjd α Oj, α qj w d M0 M1 θ κ τ λ w σ c σ s τ ba LT w ω t Φ L Grekiska versaler och gemener Anpassningsfaktorer för trafiklaster Faktor som beaktar tvärsnittsklassen = 1 för TK1 och TK2 Tunghet Partialkoefficient för säkerhetsklass Partialkoefficent enl NA tvärsnittets bärförmåga oavsett TK Partialkoefficent enl NA tvärsnittets bärförmåga mht global instabilitet Trycksträvans lutning Bucklingskoefficient Slankhetstal Tryckspänning i betong Dragspänningar i stål Skjuvspänning mht livplåtens slankhet Reduktionsfaktor för livskjuvbuckling, kolstål Reduktionsfaktor för livskjuvbuckling, rostfritt stål Mekaniska armeringsinnehållet Kryptalet ϕ(t,t 0 ) enligt EN , som beror på betongens ålder (t) vid betraktad tidpunkt och tiden (t 0 ) vid belastning Diameter på armeringsjärn Partialkoefficent Krypfaktor som beror på lastvaraktigheten = 1,1 för ständig last 2

13 1. Inledning 1.1 Bakgrund Transporter är grundläggande för att samhället ska fungera och utvecklas. Transporter av varor, människor och tjänster kräver ett fungerande infrastruktursystem. Broar är en viktig del i infrastruktursystemet för att dessa transporter ska kunna ske över hinder, så som vägar och vattendrag. Under 1900 talet har många nya kunskaper förvärvats om brokonstruktioners ingående material och dess nedbrytbarhet. De förnyade kunskaperna har lett till att nya krav ställs. Till att börja med fanns enbart krav på bärighet, men under utvecklingens gång har de tekniska beskrivningarna och normerna utvecklats varvid krav på beständighet också tillkommit. Exempelvis infördes ökade krav på beständighet i BBK 94 1 angående täckande betongskikt och vattenbindemedeltal på grund av att omfattande nedbrytningsskador upptäcktes på betongkonstruktioner. [1 ss. 1 25, 1 26] På senare tid har även miljökrav tillkommit där begränsningar av miljö och hälsofarliga ämnen satts upp. På grund av klimatfrågan finns även krav på minskning av koldioxidutsläppen. [2] För att förhindra en allt för stor påverkan på klimatet har EU:s medlemsländer enats om ett klimatmål 2 som innebär att man vill begränsa ökningen av den globala medeltemperaturen. För att nå målet måste industriländerna minska sina klimatpåverkande utsläpp med 80 % till år Transportsektorn ansvarar i Sverige för en tredjedel av de miljöfarliga utsläppen. I sektorn utgör vägtrafiken den största källan till utsläppen och därefter kommer drift, underhåll och byggande av vår infrastruktur. För att klara de tuffa kraven krävs en förbättring inom alla områden. Genom att bygga mer hållbara och beständiga broar och därmed minska underhållsbehovet kan en stor del av utsläppen minskas. [3] En annan anledning till att öka beständigheten hos dagens broar är det växande samhället och den tilltagande belastningen på vägnätet [4 s. 20]. Det leder till ökat slitage och därmed stiger behovet av underhåll på våra broar och infrastruktur. Det tekniska livslängdskravet för broar är livslängdsklass L100, vilket innebär en minsta teknisk livslängd på 120 år. För att broarna ska klara livslängden krävs underhåll. Underhållsåtgärderna ger upphov till stora mängder koldioxidutsläpp, både av utförandet och då trafik måste ledas om. Trafikomledning ger också upphov till sämre framkomlighet och minskad trafiksäkerhet för trafikanterna. Underhållsåtgärderna är dessutom kostsamma. Trafikverket lägger till exempel ner 700 miljoner kronor varje år på underhåll av våra broar [5]. En vanligt förekommande brotyp i Sverige är samverkansbroar med stålbalkar och betongfarbana, se avsnitt 2.1. Vanliga underhållsåtgärder på denna typ av bro är rostskyddsmålning av stålbalkarna, omläggning och lagning av asfalt samt reparation eller utbyte av kantbalkar. Underhållsåtgärderna beskrivs mer ingående i avsnitt 2.7. Det finns sätt att minska och även eliminera dessa underhållsåtgärder. Rostskyddsmålning är inte nödvändigt om rostfria balkar används, omläggning av asfalt kan undvikas genom att använda direktgjuten slitbetong och används rostfri armering minskar kantbalkarnas underhållsbehov. [6] 1 Boverkets handbok om betongkonstruktioner. 2 EU:s klimatmål innebär att man vill förhindra den globala medeltemperaturen att överstiga 2 C jämfört med den förindustriella temperaturen. 3

14 I examensarbetet studeras och jämförs samverkansbroar med olika kombinationer av konventionella material som kräver underhåll och mer underhållsfria material med avseende på livscykelkostnader och miljöpåverkan i syfte att belysa var de största kostnader och koldioxidutsläpp uppkommer under brons livstid. 1.2 Målformulering Målet med detta examensarbete är att dimensionera och undersöka överbyggnaden hos samverkansbroar med olika materialkombinationer och geometrier för att se hur miljön och livscykelkostnaden påverkas av de olika alternativen. Livscykelkostnaden studeras genom en livscykelkostnadsanalys, LCC, och miljökonsekvenserna studeras genom en livscykelanalys, LCA. Fokus ur miljösynpunkt är koldioxidutsläpp. Arbetets huvudsakliga frågeställning lyder enligt följande: Vilka fördelar erhålls av att använda mer underhållsfria material i broöverbyggnader ur kostnads och miljösynpunkt? Dessutom har nedanstående frågeställningar satts upp: Vilken materialkombination ger lägst underhållsbehov och miljöpåverkan under sin livstid? Kommer de eventuellt ökade initialkostnaderna av att använda mer underhållsfria material väga upp för underhållskostnaderna för de konventionella materialen? 1.3 Syfte Syftet med arbetet är att identifiera och analysera kostnader och koldioxidutsläpp som uppkommer under de olika broalternativens livstid, både av uppförandet av bron och av kommande underhållsåtgärder. Analyserna ligger till grund för att påvisa fördelarna som erhålls genom att undvika detta underhåll. Förhoppningsvis kan arbetet bidra till att underlätta för beställare och byggherrar att planera för mer långsiktiga lösningar genom att belysa hur mycket pengar och koldioxidutsläpp som eventuellt kan sparas genom att använda mer underhållsfria material. 1.4 Avgränsningar Examensarbetet har begränsats till att enbart studera och jämföra kostnader och koldioxidutsläpp för olika materialkombinationer i överbyggnadskonstruktionen hos en samverkansbro. Överbyggnaden består av en betongfarbana och två stålbalkar fritt upplagda på landfästena. Antagen årsdygnstrafik, ÅDT, är 2000 fordon per dygn. Bron är avsedd för vägtrafik med två körfält utan gång och cykelväg. Materialkombinationerna som undersöks för de olika broalternativen är: Bro 1 Rostskyddsmålad stålbalk, anläggningsbetong med armering av kolstål samt tätskikt och asfalt Bro 2 Rostskyddsmålad stålbalk, anläggningsbetong med armering av kolstål samt slitbetong Bro 3 Rostskyddsmålad stålbalk, anläggningsbetong med rostfri armering samt slitbetong Bro 4 Rostfri stålbalk, anläggningsbetong med armering av kolstål samt slitbetong Bro 5 Rostfri stålbalk, anläggningsbetong med rostfri armering samt slitbetong Bro 6 Rostfri stålbalk, injekteringsbetong med rostfri armering samt slitbetong 4

15 Broarna dimensioneras för att lämpliga dimensioner och materialmängder ska kunna tas fram. Specifika avgränsningar för dimensioneringen tas upp i avsnitt Kostnader och koldioxidutsläpp för materialen och kommande underhållsåtgärder analyseras och jämförs i förenklade LCA och LCC analyser. I LCC analysen ingår endast materialens och arbetsutförandets kostnader. Trafikavstängningskostnader har inte tagits hänsyn till. Hänsyn till realränta eller inflation har heller ej tagits, därför antas en krona vara värd lika mycket idag som om 120 år. I LCA analysen ingår endast materialens koldioxidutsläpp. Arbetsutförandets och tillkommande transporters koldioxidutsläpp har inte behandlats i analysen. 1.5 Metoder Arbetet inleds med litteraturstudier rörande de olika materialens framställning, beständighet och miljöpåverkan. Vanliga underhållsåtgärder på samverkansbroar studeras i rapporter och genom mailkontakt med broförvaltningssystemet BaTMan 5. Samtliga broar dimensioneras för att sedan kunna sammanställa materialmängderna för varje bro. Till grund för dimensioneringen studeras normer i Eurokod samt beräkningsgångar för samverkansbroar i ett tidigare examensarbete, en beräkningsuppgift i en doktorandkurs och en projektuppgift i en konstruktionskurs. Dimensioneringen utförs i Excel. Intervjuer och mailkontakt hålls med entreprenörer och leverantörer för att få aktuella prisuppgifter och koldioxidutsläpp för de ingående materialen och underhållsåtgärderna. Som informationskälla för uppskattning av koldioxidutsläpp, bedömning av underhållsbehovet på de olika broalternativen samt kostnader för vissa underhållsåtgärder rådfrågas handledaren Jonatan Paulsson Tralla från Projektengagemang Anläggningsunderhåll AB. En del kostnader för underhållsåtgärder och intervallet mellan vissa underhållsåtgärder erhålls även genom mailkontakt med BaTMans kundservice samt från deras á prislista för underhåll [7]. Kostnader och koldioxidutsläpp för materialen och underhållsåtgärderna sammanställs och analyseras i förenklade LCA och LCC analyser. Utifrån analyserna jämförs för och nackdelar med broalternativen med avseende på underhållsbehov, kostnader och miljöpåverkan. 5 Bridge and Tunnel Management, eller BaTMan, är en databas som innehåller information om samtliga broar Trafikverket förvaltar. Informationen som finns tillgänglig är allt från rapporter och information om broarna samt ritningar och information om tidigare och planerade underhållsåtgärder. [ 5

16 1.6 Nulägesbeskrivning Projektengagemang Anläggningsunderhåll AB är marknadsledande inom anläggningsunderhåll. Genom deras utredningar, tillståndsbedömningar och åtgärdsförslag ökar de livslängden för Stockholms broar, kajer och tunnlar. Projektengagemang Anläggningsunderhåll är ett av flera dotterbolag i den växande konsultkoncernen Projektengagemang AB som startades år Projektengagemangs bolag är verksamma inom infrastruktur, byggnader, energi och industri. Bolagen har fördelen att vara små och effektiva samtidigt som de har tillgång till hela koncernens resurser och kapacitet när det behövs. Medarbetarna är även delägare vilket i kombination med den platta organisationen ger en kort beslutsprocess och kostnadseffektiva lösningar. [8] [9] 6

17 2. Faktainsamling I detta avsnitt introduceras först samverkansbroar och överbyggnadskonstruktionens ingående delar. Därefter förklaras begreppen livscykelanalys och livscykelkostnadsanalys för att ge en bild av vilka parametrar som kan ingå i sådana analyser. Sedan presenteras materialens framställning, egenskaper och beständighet samt miljöpåverkan. Slutligen beskrivs vanliga underhållsåtgärder på överbyggnaden hos samverkansbroar. 2.1 Definition av samverkansbroar och överbyggnadskonstruktioner Ett vanligt sätt att bygga broar är att bygga dem med samverkan mellan olika material. Samverkan innebär att de ingående materialen medverkar vid upptagning av laster. Uppbyggnaden av konstruktionen anpassas så materialen utnyttjas på bästa sätt, till exempel tar material med hög draghållfasthet upp dragspänningar och material med hög tryckhållfasthet tar upp tryckspänningar. Detta gäller bara i fält mellan stöden där drag uppstår i underkant och tryck i överkant, men eftersom bron i detta arbete är fritt upplagd mellan två landfästen gäller detta för hela bron. Hade bron varit kontinuerlig uppstår drag istället i överkant vilket gör att mer armering i överkant krävs för att undvika att sprickbildningen blir för stor. Samverkan ger en styvare konstruktion och då de ingående materialen utnyttjas på ett mer optimalt sätt kan konstruktionen göras slankare med minskade materialmängder som följd eller med längre spännvidder än homogena konstruktioner. [10] [11] Figur 1 Tvärsektion av en samverkansbro med en broplatta av betong med kantbalkar som för över lasterna från trafiken till huvudbalkarna i stål som i sin tur för ner lasterna till underbyggnaden. [12 s. 5] Figur 1 visar en typisk uppbyggnad av överbyggnaden hos en samverkansbro med broplatta av betong och integrerade kantbalkar som för ner lasterna av trafiken till huvudbalkarna i stål. Förutom att underlätta lastöverföringen för broplattan utgör kantbalkarna också ett stöd för beläggningen och broräcket. Broplattan överför laster i tvärled till huvudbalkarna som bär i brons längdriktning och för ner lasterna till underbyggnaden. [12] För att samverkan ska uppstå mellan stålbalkarna och betongen används svetsbultar, benämns även studs, som också visas i Figur 1. Studsen svetsas fast i överflänsarna och gjuts in i broplattan för att förhindra vertikal rörelse och överföring av horisontella skjuvspänningar mellan betongen och stålet. [13] 7

18 När betongfarbanan utsätts för belastningar av trafiken uppstår dragspänningar i underkant mellan stålbalkarna och i överkant över stålbalkarna i tvärled. Dragspänningarna ger upphov till sprickbildningar som medför att vatten och klorider från vägsaltning lättare tränger ner i plattan och ökar armeringens korrosionsförlopp. Brobanan utsätts dessutom för påfrestningar som temperaturvariationer samt nedbrytning genom nederbörd, luftföroreningar och temperaturförändringar. [12] För att säkerställa brobanans livslängd förses den därför normalt med tätskikt och beläggning. Tätskiktet är till för att skydda betongen mot vatten och kloridinträngning och därmed undvika armeringskorrosion och nedbrytning av betongen. De viktigaste egenskaperna för tätskiktet är att vara spricköverbryggande, vattentätt, beständigt mot kemikalier som vägsalter och alkalier samt tåligt mot både höga och låga temperaturer. [12 ss. 3, 37] En beläggning kan bestå av bindlager, skyddslager och slitlager. Skyddslagret skyddar tätskiktet vid reparationer och byten av slitlagret, som regelbundet nöts ner av trafiken. [12 ss ] [12 s. 37] Uppbyggnaden som valts för bro 1 är bitumenbaserad tätskiktsmatta och beläggning av asfaltbetong 8. Beläggningen består av bindlager, ABb, skyddslager, ABT, och slitlager, 9 ABS. Tätskiktet och beläggningen visas nedan i Figur 2. Figur 2 visar dock en utformning utan skyddslager till skillnad från bro 1. Tätskiktsmatta Figur 2 Exempel på en typbeläggning liknande den som valts för bro 1 i detta arbete. En skillnad är att figuren visar en utformning utan skyddslager till skillnad från bro 1 som även innehåller ett skyddslager i asfaltbetong, ABT. [12 s. 42] Ett alternativ till tätskikt och beläggning är att använda direktgjuten slitbetong som skydd för broplattan. Slitbetongen kan utföras som en pågjutning på den befintliga betongen, till exempel som ett alternativ till reparation av beläggningen och tätskiktet. Slitbetongen kan också utföras direktgjuten vid gjutningen av plattan. Ett extra lager betong gjuts då på plattan innan den har härdat. Fördelen med att utföra den direktgjuten jämfört med att gjuta den på en befintlig platta är att man slipper gjutfogar mellan slitbetongen och den befintliga betongen. Vidhäftningen säkerställs därmed och tvångskrafter av temperaturutvecklingen under härdningen undviks. [6] Slitbetong är slitstarkare och beständigare än konventionell beläggning och kräver därför mindre underhåll så länge den görs tillräckligt tät och sprickfri och med tillräckligt stark ballast [12 s. 80]. För att undvika sprickor lämpar sig slitbetong på broar byggda i ett spann eftersom dragspänningar över stöd i längdled undviks då överkanten av betongplattan hela tiden är tryckt. Dock uppkommer fortfarande mindre dragspänningar i tvärled över stålbalkarna. [14] Slitbetong lämpar sig också 8 Asfaltbetong = asfalt 9 ABb = Asfaltbetong bindlager, ABT = Asfaltbetong tät, ABS = Asfaltbetong stenrik. 8

19 särskilt väl på broar som inte vintersaltas i stor utsträckning på grund av korrosionsrisken som medföljer avsaknaden av tätskikt, på vältrafikerade broar där trafikavstängning är kostsamt eller om avståndet till bron är långt. [12 s. 73] 2.2 Livscykelanalys, LCA Vid val av olika material i broar med hänsyn till påverkan på miljön är en livscykelanalys, LCA, ett bra sätt att jämföra de olika alternativen. I en LCA mäts produkters samlade miljöpåverkan under hela sin livstid. En sådan analys kallas från vagga till grav och i en sådan summeras nedanstående stadiers påverkan: Utvinning av råvaror Tillverkning Underhåll Omhändertagande av avfall/återvinning Mellan dessa steg sker transporter som också påverkar slutresultatet av analysen. Ytterligare delar som kan tas upp i analysen är bland annat hälsoeffekter, effekter på ekologin och resursförbrukning. Kortare delar av livscykeln kan också undersökas. En analys av det slaget kan kallas från vagga till port och den kan innefatta påverkan på miljön från råmaterial till färdig produkt vid fabrikens portar. Idag finns en gemensamt framtagen standard för LCA, ISO Det är en omfattande analys som gör det möjligt att jämföra och analysera olika produkter. [15] [16] 2.3 Livscykelkostnadsanalys, LCC En livscykelkostnadsanalys, LCC, kan göras för att bedöma en bros totala kostnadseffektivitet. En sådan analys innefattar brons troliga kostnad under hela dess livstid istället för endast investeringskostnaden. LCC analysen kan göras mer eller mindre utförlig och en mängd faktorer kan tas hänsyn till. I en vanlig analys kan följande kostnader uppskattas: Investeringskostnad (projekteringskostnad, materialkostnad, entreprenadkostnad) Regelbundna underhållskostnader (kostnader för inspektioner och förebyggande underhåll samt reparationer och underhåll på grund av naturlig nedbrytning) Intäkter (eventuella tullavgifter) Trafikantkostnader (tidskostnader, fordonskostnader och olyckskostnader) Oregelbundna kostnader (icke planerade reparationer och underhållsåtgärder orsakade av till exempel olyckor, naturkatastrofer och lägre hållbarhet än planerat) Rivningskostnader (transport, rivning och deponering) [12] 2.4 Betong Betong är idag vårt vanligaste byggnadsmaterial på grund av dess praktiska egenskaper i form av god gjutbarhet, formbarhet, tunghet, beständighet och höga tryckhållfasthet. En annan anledning till den stora användningen är att betongens slutliga egenskaper enkelt kan anpassas genom små ändringar i betongens sammansättning. Det gör att materialet lämpar sig för såväl avancerade konstruktioner som enkla byggnadsvaror. Betong är, volymmässigt, det mest använda byggnadsmaterialet i världen. 9

20 Framförallt används betong i bärande konstruktioner i både hus, industrier och anläggningar men även i konstruktionsdelar som är utsatta för fukt och nedslitning som dammar och broar.[1] [17][18] Framställning Cement, vatten och ballast 10 är betongens huvudingredienser. Även tillsatsämnen och tillsatsmaterial kan tillföras för att påverka betongens slutliga egenskaper som ofta styrs efter vilken miljö konstruktionen kommer att befinna sig i och vilka påfrestningar den kommer att utsättas för. När cementet kommer i kontakt med vattnet tar härdningen vid och cementpastan börjar stelna och binda ihop ballastkornen. Reaktionen är exotermisk 13 och därmed höjs betongens temperatur. Temperatursprickor kan uppstå om värmeutvecklingen sker för snabbt eller om den blir för hög. [17 ss ]. Betong är ett hygroskopiskt material som anpassar sig efter omgivningens temperatur och fuktighet och ändrar volym därefter. Så länge betongen torkar vilket den gör även efter härdningen sker en krympning som kan leda till sprickor. [17 s. 245] Broar är ofta byggda i betongaggressiva och korrosionsaggressiva miljöer då de exponeras för fukt och klorider vid nederbörd och tösaltning. Exponeringen är avgörande för vilka krav som ställs på betongkvalitén, täckande betongskikt och acceptabel sprickbredd för att en viss livslängd på konstruktionen ska uppnås. För att broar och andra utsatta anläggningskonstruktioner ska klara beständighetskraven krävs ofta betong av hög kvalitét med lågt vattencementtal 14 och hög hållfasthet. [19] Vid betonggjutning levereras färdigblandad betong till gjutplatsen med en betongbil som pumpar ut betong. Pumpen begränsar den maximala kornstorleken hos ballasten. Kombinationen av en låg ballaststorlek och lågt vattencementtal gör att mängden cementpasta och därmed mängden cement blir stor. Stora cementmängder leder till problem i form av högre temperaturutveckling under härdningen vilket medför högre risk för betydande sprickbildning och även volymförändring. [19 ss. 1 2] Egenskaper och beständighet Betong är ett oorganiskt material och har därför relativt god beständighet mot yttre miljöpåverkan och nedslitning. Trots den goda beständigheten är materialet känsligt för bland annat frostsprängning och armeringskorrosion eftersom porositeten och uppkomna sprickor gör att vatten och klorider kan tränga in. För att förebygga dessa problem kan betongkvalitén ökas samt se till att det täckande betongskiktet från de yttre armeringsstängerna till betongkanten och inbördes avstånd mellan armeringsstänger är tillräckligt stort. [18] Beständighetsproblem orsakade av alkalikiselsyrareaktioner kan uppstå om alkalier från cement eller tösaltning kommer i kontakt med kiselrik och reaktiv ballast vid närvaro av vatten. Kiselrik ballast är främst ett problem i södra Sverige och Danmark där de naturliga grustäkterna är rika på kisel. Alkalikiselsyrareaktioner, AKR, gör att reaktionsprodukterna ökar i volym vilket kan leda till 10 Ballasten består av bergartsmaterial i olika kornstorlekar och utgör den största beståndsdelen i betongen. Ungefär en tredjedel utgörs av cement och vatten [17 s. 211]. 13 En exotermisk reaktion avger energi och därmed värme. 14 Vattencementtalet (vct talet) anger förhållandet mellan mängden vatten och mängden cement i cementpastan. 10

21 sprickbildningar. Vatten och klorider får därmed lättare att tränga ner i konstruktionen. Det ökar risken för att frostsprängning och armeringskorrosion uppstår. Volymökningen medför också spjälkning av det täckande betongskiktet vilket gör att förankringen mellan betongen och armeringen minskar. Ett förankringsbrott kan uppstå och konstruktionen riskerar då att kollapsa. [20] Miljöpåverkan Vid betongframställning är det främst tillverkningen av cement och utvinnandet av naturgrus 15 som medför de största miljökonsekvenserna. Naturgruset är lätt att bryta och har därför hittills använts i stora mängder vid betongtillverkning. Den stora användningen har medfört att naturgrus blivit en bristvara i Sverige och transporteras därför långa sträckor vilket genererar miljöfarliga utsläpp. Ett av regeringens miljömål är att minska utvinnandet av naturgrus, främst för att värna om grundvattnet och vattenförsörjningen i framtiden. [21] För att klara de nya miljömålen övergår man istället till att använda bergkrossmaterial. Det kan innebära svårigheter i och med att betongrecepten måste ändras för att egenskaperna ska bibehållas. Generellt krävs mer cement och vatten för att kompensera för kantigheten och flisigheten som blir högre i bergkross. Kantigare ballast medför även ökat slitage på pumpar och slangar på grund av det ökade trycket som krävs för pumpningen och den högre friktionen som uppstår i pumpen. För att lösa problemen med krossmaterialets kantighet kan det behandlas i en centrifug som slungar runt stenarna i hög hastighet så materialet slipas och blir jämnare eller öka cementhalten. [21] Cementtillverkningen står för den största andelen koldioxidutsläpp vid betongtillverkning. Vid tillverkningen förbränns kalksten och lera i 1450 C varma roterugnar. [17 ss ] En kalcineringsprocess uppstår vid förbränningen då kalciumkarbonatet i kalkstenen omvandlas till bränd kalk och som restprodukt bildas koldioxid. Utsläppen från kalcineringsprocessen motsvarar 60 % av de totala koldioxidutsläppen och resterande 40 % kommer från uppvärmningen av cementugnarna. [18] Cementtillverkningen står för 5 % av världens totala utsläpp [22]. Att minska koldioxidutsläppen av cementtillverkningen är möjligt genom att minska cementhalten i betongen och undvika användning av fossila bränslen. Alternativ till fossila bränslen har börjat användas i dagsläget i form av energirika avfall som bildäck och lösningsmedel Modern injekteringsbetong Betong och modern injekteringsbetong består i princip av samma delmaterial. Den främsta skillnaden mellan betong och injekteringsbetong är gjutmetoden. Vid gjutning med modern injekteringsbetong fylls gjutformen först med ballast och därefter injekteras cementbruket i hålrummen mellan ballasten. I och med att ballasten placeras innan bruket injekteras har de grövre ballastkornen ständig kontakt med varandra och bildar därmed ett sammanhängande ballastskelett. Det sammanhängande ballastskelettet bildar ett inre mothåll i betongen vilket gör att den fria krympningen minskas. Det reducerar i sin tur uppkomsten av krympsprickor. Vidare kan den 15 Naturgrus, i form av till exempel rullstensåsar, bildades när den förra inlandsisen smälte tillbaka och avsatte uppsamlat och slipat stenmaterial i sorterade fraktioner. Det är därför en ändlig naturresurs. [21 s. 4] 11

22 maximala kornstorleken samt volymandelen grövre ballast ökas eftersom ingen betongpump används. Att mängden grov ballast kan ökas gör att mängden cementpasta kan minskas. Minskningen av cementpasta gör att mängden cement minskar. Minskad cementmängd är framförallt positivt ur miljösynpunkt med tanke på de minskade koldioxidutsläppen som då uppkommer. Dessutom reduceras temperaturutvecklingen under härdningen och därmed risken för temperatursprickor. [24] Till skillnad från betong lämpar sig bergkrossmaterial att använda som ballast i modern injekteringsbetong. Risken för att alkalikiselsyrareaktioner uppstår minskar då eftersom bergmaterial utan kisel kan väljas om bergmaterialet i berggrunden är känd. Bergkrossmaterial lämpar sig också som ballastmaterial eftersom betongpump ej används vid gjutningen som kan ta skada av det kantiga materialet. Att ballasten placeras först i formen gör att exempelvis en extra slitstark yta kan åstadkommas genom att placera grövre ballast av högre kvalitet i det översta skiktet och finare, billigare ballast längre ner. Det är särskilt lämpligt om betongen används som slitbetong på en brofarbana eftersom den då tål mer nötning av trafiken innan hjulspåren måste slipas ner, se avsnitt 2.7. Dessutom medger den minskade sprickbildningen att klorider får svårare att tränga ner i ballasten vilket förlänger korrosionsförloppet hos armeringen och minskar risken för frostsprängning Användning av injekteringsbetong i framtiden Metoden att gjuta modern injekteringsbetong utvecklades och användes i USA på 1940 talet i samband med tillväxten av vattenkraften och har sedan dess spridit sig till andra länder. I Sverige användes metoden flitigt vid gjutande av tunnlar och fundament under talet men föll sedan i glömska under talet. Modern injekteringsbetong används fortfarande i USA, England och Tyskland för gjutningar både ovan och under vatten, exempelvis för vattenkraft, fyrar, bergrum och försvarsanläggningar. [23] Anledningen till att metoden fallit i glömska kan vara att moderna handböcker och arbetsmetoder inte finns att tillgå på svenska och de som behärskar metoden har gått i pension. [19 s. 25] På senaste tid har dock intresset för den gamla gjutmetoden åter väckts i Sverige. År 2005 började projekteringen av upprustandet av Gamla Årstabron. Projektörerna valde då att använda sig av modern injekteringsbetong då en betong med extra god gjutbarhet, låg krympning och mycket god vidhäftning krävdes. Förutom reparationerna på Gamla Årstabron har injekteringsbetong nyligen använts vid utbyte av brokantbalkar, gjutning av industrigolv och undervattensgjutningar. [23] 2.5 Stål Stål har länge används som konstruktionsmaterial på grund av dess höga hållfasthet, seghet och svetsbarhet. Stål är en legering bestående till största delen av järn och mindre än 2 % kol. Om kolhalten ökas blir hållfastheten högre men segheten och svetsbarheten minskar. Ett exempel på ett stål med hög kolhalt är gjutjärn som normalt har en kolhalt på 2 4 %. Konstruktionsstål är en låglegerad ståltyp med endast 0,2 % kol för att ge en god hållfasthet och inneha den nödvändiga svetsförmågan. Även andra legeringsämnen tillsätts för att ge stålet dess egenskaper. [25] Framställning Tillverkning av stål sker idag med två metoder, utvinning ur järnmalm och utvinning från skrot. Vid järnmalmsutvinning blandas anrikad pellets från malmen med koks i masugnar och råjärn bildas. 12

23 Råjärnet transporteras vidare till stålverket där det renas från svavel och kolhalten sänks. För att transportera stålet vidare kapas det genom stränggjutning till hanterbara stålämnen. De färdiga stålämnena kan sedan transporteras vidare för valsning.[26] Stål tillverkat från skrot sker i elektriska ljusbågsugnar. Nedsmältning i denna typ av ugn sker genom att kraftig ström leds via elektroder i ugnen som bildar ljusbågar. Det nedsmälta stålet delas upp i mindre stålämnen och valsas likt järnmalmsutvinningen. Ljusbågstillverkat stål står för en tredjedel av stålproduktionen i Sverige. [26] Miljöpåverkan Ståltillverkningen är en energikrävande process som huvudsakligen använder kol och elenergi. Det är därför viktigt med en effektiv och välutvecklad bearbetning. Ett sätt att minska behovet av extern energi är att ta tillvara på de energirika processgaser som bildas vid tillverkning. Det kan minska behovet av olja och andra fossila bränslen, som leder till minskade koldioxidutsläpp. Energin för att producera ett ton stål i ljusbågsugn är en femtedel av vad som krävs för samma mängd i masugn. Rostfritt stål tillverkas till skillnad från kolstål, se avsnitt 2.5.1, till största del ifrån återvunnen ljusbågstillverkad stål. Då stora delar av elenergin i Sverige kommer från vattenkraft ger ljusbågstillverkat stål låga koldioxidutsläpp. [27] Korrosion Under ståltillverkningen ökas energiinnehållet hos stålet vilket leder till en ostabilare form. Denna ostabila form vill återgå till ett lägre energitillstånd och gör detta genom en så kallad anodreaktion eller oxidation. För att det ska kunna ske krävs det att det finns ett ämne i närheten som kan reagera med stålet, då sker en katodreaktion. På det sättet uppkommer korrosion som kan ske allmänt då hela ytan angrips lika mycket eller specifikt. Den specifika korrosionen angriper utsatta punkter i konstruktionen så som spalter. Kolstål utsätts i hårdare grad av allmän korrosion än rostfritt stål. [28] [29] [30] Rostskyddsmålning För att undvika korrosionsproblem finns olika tillvägagångssätt. Rostskyddsfärg för broar består till stor del av epoxi. Epoxi är en härdplast med god vidhäftningsförmåga till metaller samt hög härdighet mot kemikalier, vatten och mekanisk påverkan. Med dessa egenskaper passar den bra som skydd mot rost, dock sker nedbrytning av härdplaster mycket långsamt och är farligt för vattenlevande djur. Därför är det väldigt viktigt att alla rester vid blästring 18 och ommålning tas om hand om. För att undvika att färg spills ut är det vanligt med inklädnad av arbetsområdet. Ställningsarbetet och inklädnaden är ett krävande arbete som gör målningen dyr. Förutom att rester av epoxi är viktigt att ta hand om är framställning av epoxi mycket energikrävande vilket leder till stora koldioxidutsläpp. [32] [33] [34]. I rostskyddsfärgen blandas även metaller in som reagerar lättare med syre än stålet i balken skulle gjort. Dessa metallrester bör inte heller komma ut i naturen och är därför ytterligare en anledning till att täcka in arbetsområdet. [33] Rostskyddsfärg släpper också ut miljöfarliga, lättflyktiga ämnen, vilket oftare mäts vid miljövarudeklarationer [35]. Detta har dock inte analyserats i detta examensarbete. 18 Blästring genomförs vid ommålning för att ta bort gamla färgrester och öka vidhäftningen mot den nya färgen. 13

24 2.5.5 Andra rostskyddande åtgärder Förzinkning är ett annat sätt att skydda stålet mot korrosion. Det används i brosammanhang främst för detaljer som stolpar och räcken. Det vanligaste sättet att förzinka är varmförzinkning. Då doppas produkten i zinkbad, zink reagerar med järn och bildar ett tunt lager med skyddande zink. Om det blir en repa i zinkskiktet kommer stålet ändå klara sig mot korrosion då zink är mindre ädelt och reagerar lättare än stålet med syret. [30] [36] Rostfritt stål Rostfria stål är legeringar som finns i flera olika varianter där de gemensamma nämnarna är krominnehållet som minst måste uppgå till 10,5 % och ett kolinnehåll på högst 1,2 % [29 s. 1]. Rostfritt stål får sin beständighet genom passivering 19. Passiveringen kommer till stor del från det rostfria stålets krominnehåll. Vid kontakt med syre bildas kromoxid som lägger sig som en passiverande hinna runt konstruktionen. Om kromoxidhinnan skulle repas kommer nytt krom i kontakt med syre och ny kromoxid bildas, konstruktionen självlagas. [29] Användningsområdena för rostfria stål är många och de olika tillämpningarna kräver olika typer av rostfritt stål med olika egenskaper. Indelningen sker beroende på stålets atomstruktur och innehåll av metaller där det finns fem huvudgrupper. I detta arbete beskrivs enbart gruppen duplexa stål då dess egenskaper passar väl för brokonstruktioner. [29] Duplexa rostfria stål har en blandstruktur av austenistisk och ferritisk karaktär 20. Den ferritiska strukturen ger hög hållfasthet men dålig svetsbarhet. Svetsbarheten höjs med den austenitiska strukturen. Kromhalten i de duplexa stålen är hög, cirka %. Den höga kromhalten ger tillsammans med 1 4,5 % molybden ett utmärkt korrosionsskydd mot specifik korrosion. Duplexa stål har en hög sträckgräns till skillnad mot två andra huvudgrupperna av rostfritt stål, ferritiska och austenitiska rostfria stål. Därför lämpar sig duplexa stål bättre för stora konstruktioner än vad ferritiska och austenitiska stål gör. En nackdel med den höga sträckgränsen är att arbetet med att forma stålet blir tyngre vilket kräver starkare maskiner. [29] [37] I de broar som idag har byggts av rostfritt stål, se avsnitt 2.7, har den duplexa stålsorten LDX använts. Den har en hög sträckgräns och seghet vilket liknar varmbearbetat konstruktionsstål. Med hög seghet kan stålet flyta under en längre tid innan det går av. Plötsliga brott kan därför undvikas. [38]. En annan fördel med stålsorten LDX 2101 är att en stor del nickel ersatts med mangan och kväve, det ger ett stabilare prisläge då kostnaden på nickel varierar kraftigt [39]. I denna undersökning har denna stålsort används i både stålbalkarna och i armeringen. 2.6 Armering Armeringen är till för att överföra dragspänningar i konstruktionen efter att betongen spruckit i de dragna delarna och hålla kraftsystemet i jämnvikt. Den ska också begränsa sprickvidderna och avståndet mellan sprickorna. Krafter överförs mellan armeringsstålet och betongen via vidhäftning. [1 ss. 1 16] 19 Passivering innebär att en hinna av svårlösliga korrosioner bildas utanpå legeringen som motverkar vidare nedbrytning. 20 Duplexa, austenitiska och ferritiska rostfria stål är olika typer av rostfria stål. Benämningarna har att göra med deras respektive molekylstruktur som skiljer sig för respektive sort. [28] 21 LDX 2101 är benämningen på stålet av stålleverantören Outokumpu. I Eurokod benämns den

25 Blir sprickbildningen stor ökar risken för att armeringen börjar korrodera. Vägbroar som under vinterhalvåret tösaltas är extra utsatta för korrosionsangrepp då kloridjonerna i saltet tränger in i betongen genom diffusion och kapillärsugning via sprickorna vilket medför att korrosionshastigheten ökar. Armeringskorrosion gör att armeringens bärförmåga minskar till följd av att tvärsnittet minskar. Dessutom gör korrosionen att det täckande betongskiktet spjälkas loss vilket både minskar vidhäftningen mellan materialen och medför ytterligare exponering av armering. [40] [41] För vägbroar är det särskilt det översta armeringslagret i brobaneplattan samt armeringen i kantbalkarna som riskerar att korrodera och oftast kräver underhåll eller utbyte. Dessa delar slits mest på grund av att de är mest utsatta för nedslitning av trafiken samt påverkan av väder och vind. [12 s. 1] Rostfri armering Genom att använda rostfri armering utesluts de konsekvenser som korrosionsangrepp på armering i vanligt kolstål ger upphov till, det vill säga undvikande av minskad beständighet och bärförmåga. Därför lämpar sig rostfri armering i betongkonstruktionsdelar som är särskilt utsatta för kloridinträngning, exempelvis brobaneplattor och kantbalkar. 2.7 Dagens underhåll av samverkansbroar Trafikverket äger och förvaltar Sveriges statliga vägnät. I det statliga vägnätet ingår cirka vägbroar som Trafikverket underhåller för ungefär 700 miljoner kronor per år. Det är nästan en tiondel av den totala drift och underhållskostnad Trafikverket årligen lägger ner på hela det statliga vägnätet. [5] De flesta underhållsåtgärder som utförs på Sveriges olika broar består av underhåll, reparation och förstärkning av brobaneplattan. [12 s. 91] I brobaneplattan är det kantbalkar, räcken, tätskikt och beläggningar tillsammans med rostskyddsmålning av stålbalkarna som står för de största underhållskostnaderna för samverkansbroar [12] [42]. Att dessa brodelar är så underhållskrävande beror på att de är särskilt utsatta för slitage från trafik och väderpåverkan. Räcken och kantbalkar påfrestas också av skador från olyckspåkörningar [12]. Tätskikt och beläggningar behöver regelbundet underhållas då de nöts ner av påfrestningar från trafiken, frostsprängning och klorider. På högtrafikerade vägar är spårbildning den främsta orsaken till att beläggningen måste bytas ut. Spårbildningen orsakas främst av dubbdäck och tunga fordon, särskilt när det är varmt ute och asfalten blir mjuk. [43] Vid reparation av spårbildningar i beläggningen händer det att tätskiktet skadas, trots att det skyddas av skyddslagret av tät asfaltbetong. Det beror på att skyddslagret kan bli för tunt då beläggningen fräses bort. Mer omfattande reparationer krävs då och trafik kan behöva ledas om. Även om bron är lågtrafikerad kommer ändå asfalten och tätskiktet att åldras och brytas ner genom väder och vind vilket gör att de med tiden behöver repareras och bytas ut. [44] 15

26 Figur 3 Blåsbildning (12 s. 46) Ett förekommande problem med tätskikt är blåsbildning.blåsbildning kan orsakas av bland annat diffusion i fuktig betong och höga temperaturer vid utläggning av asfalten på grund av det höga trycket som då uppstår. Problemet kan även inträffa på befintliga konstruktioner under längre perioder av varma sommardagar. Blåsbildning gör att tätskiktet släpper mot betongen, en blåsa bildas som slits ner av trafiken och bildar en krater i beläggningen. Vattentätheten och skyddet för betongplattan och armeringen äventyras därmed. [12] Ett exempel på hur blåsbildning kan se ut visas i Figur 3 ovan. Slitbetongens främsta fördelar är att den är slitstarkare mot dubbdäck och inte påverkas i lika hög grad av tung trafik eller värme som asfalt gör. Slitbetongen åldras dessutom inte vilket medgör en lång livslängd. Beroende på vilken ballast som väljs i slitbetongen kan brobanan göras ljus vilket gör att det tar längre tid för spårbildning att uppstå än på en mörk brobana av asfalt. Det beror på att de initiala spårdjupen inte framträder lika tydligt som på en mörk brobana och därför är det större chans att trafiken fördelar sig jämnare i körfältet. [14] Hur snabbt spårdjupen framträder beror också på trafikintensiteten och andel tung trafik. När spårdjupen blir tillräckligt djupa slipas eller lamellsågas de ner. Därför är det viktigt att slitbetongen görs tillräckligt tjock så erforderligt täckande betongskikt fortfarande uppnås efter den sista slipningen. Kantbalkar har tidigare utförts efter standardritningar vilket de ofta görs än idag och ingen optimal lösning har tagits fram för att göra dem robusta och mindre underhållskrävande, trots deras stora behov av underhåll. Sprickor i betongen gör att armeringskorrosion lättare uppstår och stora kostnader läggs därför på att byta ut armering i kantbalkar.[45 ss. 2,10] Det vanligaste sättet att skydda brokonstruktioner av stål mot rost är att rostskyddsmåla dem. Målningen ger ett skyddande lager utanpå konstruktionen som hindrar stålet från att reagera med ämnen i omgivningen. Det skyddande lagret bryts så småningom ner och måste målas om för att stålet inte ska utsättas för korrosion. Hur ofta en bro behöver målas om beror mycket på omgivningens miljö, framförallt påverkan av klorider. Vid marina miljöer eller starkt trafikerade miljöer där saltning av vägarna sker ofta krävs mer frekventa åtgärder än för lågt trafikerade broar i inlandet. [31] Rostskyddsmålning beskrivs mer i avsnitt Rostfritt stål kan vara ett alternativ för att undvika korrosionsproblem. På grund av de högre materialpriserna, se avsnitt 2.5.6, jämfört med kolstål är detta dock inte så vanligt. I litteraturstudien har endast två samverkansbroar hittats som har byggts med rostfria stålbalkar för att minska underhållsbehovet. Den ena bron byggdes av en privat vägförening i Orrhammar som ville 16

27 undvika dyra underhållsåtgärder på bron i framtiden. Den andra bron byggdes av ett industriföretag i Nynäshamn som ville undvika stopp i lastbilstrafiken på grund av underhåll till och från en av deras anläggningar. En bild på bron i Nynäshamn visas i Figur 4. Figur 4 Befintlig bro med rostfria stålbalkar och farbana av betong belägen i Nynäshamn. Bilden är tagen

28 18

29 3. Genomförande I följande avsnitt beskrivs tillvägagångssättet vid dimensioneringen av broöverbyggnaderna och framtagandet av aktuella materialkostnader, kostnader för olika underhållsåtgärder och materialens koldioxidutsläpp. 3.1 Dimensionering Dimensioneringen inleddes med beräkningar för bro 1 och en beräkningsstruktur i Excel byggdes upp. Beräkningsstrukturen användes sedan som mall för de resterande broöverbyggnaderna där vissa beräkningar för de rostfria stålbalkarna ändrades. Detta avsnitt redovisar det övergripande tillvägagångssättet vid dimensioneringen och även skillnaderna mellan beräkningen av de rostfria stålbalkarna och beräkningarna av stålbalkarna i kolstål. Endast formler för beräkning av konstruktionsdelarnas kapaciteter samt beräkning av erforderliga armeringsmängder redovisas. För den fullständiga beräkningsgången hänvisas till Bilaga 1 som innehåller all indata och resultat för bro 1. Förutsättningar för specifika beräkningar redovisas under respektive avsnitt Avgränsningar Vid beräkning av dimensionerande lastvärden gjordes ett avsteg från nationella bilagan i SS EN 1990 som rekommenderar att ekvationerna 6.10a) som förstorar permanenta laster och 6.10b) som förstorar variabla laster ska användas för att få fram det dimensionerande värdet på lasterna. Istället användes ekvation 6.10) som förstorar båda lasttyperna och därmed fås ett resultat som är mer på säkra sidan. Dimensioneringen utfördes endast i brottgränstillstånd för moment och tvärkraft. Sprickvidder, nedböjning och andra beräkningar i bruksgränstillstånd gjordes därmed inte. Beräkningar i bruksgränstillstånd hade kunnat bli dimensionerande men eftersom det påverkar samtliga broalternativ lika mycket gjordes bedömningen att det inte påverkar den kommande jämförelsen mellan broalternativen. Globala och lokala instabilitetsfenomen som vippning, buckling med mera har inte tagits hänsyn till. Dimensionering av studsen och skjuvkraften de måste klara av har inte beräknats, samverkan antas uppstå ändå. Endast en lastmodell används som trafiklast, Lastmodell 1, LM1. Det finns ytterligare tre lastmodeller i Eurokod samt 12 lastkombinationer för typfordon i nationella bilagan i SS EN [50] men dessa bortsågs ifrån, både för att vissa kombinationer inte bedömdes vara dimensionerande i detta fall men också för att förenkla beräkningarna. Inga andra variabla laster som vindlast, snölast eller spänningar av krympning användes. Armeringsmängderna beräknades för max och minmoment samt maximal tvärkraft. Ingen avkortning av armeringsjärnen gjordes och därför beräknades heller inga förankringslängder. Endast minimiarmering i längdled beräknades Allmänna förutsättningar Dimensioneringen utfördes enligt gällande regler i Eurokod, TRVK Bro 11 samt råd från TRVR Bro 11. Även kurslitteratur innehållande sammanställda beräkningsgångar och formler från Eurokod användes. 19

30 Samtliga broar är 15 meter långa och 9 meter breda placerade i utkanten av Stockholm. De är tänkta att gå över ett sötvattendrag. Överbyggnaderna består av två huvudbalkar i stål som bär i längdled och armerade farbaneplattor i betong som bär i tvärled. Avståndet mellan stålbalkarna valdes till: 5 1,8 Preliminära dimensioner på betongplattan och stålbalkarna valdes efter att ha studerat beräkningar för liknande samverkansbroar [51] [52] och värdena på tungheterna för armerad betong och konstruktionsstål hittades i SS EN [53]. Val av beläggningen och tätskiktets uppbyggnad gjordes efter exempel på typbeläggningar i TRVR Bro 11 [54 s. G.3.2.9]. Värdena för tungheterna hittades i TRVK Bro 11 [55 s. B 3.2.2] Bestämning av trafiklast och indelning av körbanan i lastfält Den variabla lasten som användes i beräkningarna var trafiklast enligt Lastmodell 1, LM1, i SS EN :2003. Vid beräkning av trafiklaster delades körbanan in ett antal lastfält. Antalet lastfält, n, och bredden på dessa, w 1, beror av farbanans totala fria bredd, w, och beräknades enligt Tabell 1 [50 s. Tabell 4.1] Tabell 1 Beräkning av antal lastfält och deras bredd. I tabellen kan utläsas att för fri brobredd större än 6 meter ska den nedersta raden användas för beräkning av antal lastfält och bredden på dessa. Körbanebredd w Antal lastfält Bredd på ett lastfält w 1 Återstående ytans bredd 5, ,

31 I varje lastfält placerades laster i form av en tänkt axellast, Q ik, i en boggilast samt en jämnt utbredd last, q ik, se Figur 5 nedan. Dessa värden multipliceras sen med anpassningsfaktorer med de minsta tillåtna värdena enligt nationella bilagan i SS EN [50]. Värdena på punktlasterna och de jämnt utbredda lasterna multiplicerade med anpassningsfaktorerna redovisas nedan i Tabell 2.. Figur 5 Lastfältens utbredning samt de ingående lasterna i Lastmodell 1.Punktlasterna, Q ik, är halverade för att värdet för Q ik är angivet en axellast som består av två hjulpar. Tabell 2 Värden på axellasterna och de utbredda lasterna i varje lastfält, multiplicerade med de minsta tillåtna anpassningsfaktorerna. Lastfält Axellast, Q ik [kn] Utbredd last, q ik [kn/m 2 ] 1 Q 1k = 0,9*300 = 270 q 1k = 0,7*9 = 6,3 2 Q 2k = 0,9*200 = 180 q 2k = 1,0*2,5 = 2,5 3 Q 3k = 0*100 = 0 q 3k = 1,0*2,5 = 2, Beräkning av dimensionerande moment och tvärkraft på en stålbalk Efter att de karakteristiska värdena på lasterna från egentyngd och trafik bestämdes påbörjades dimensioneringen av en av de två stålbalkarna. Dimensioneringen utfördes genom att balken betraktades som fritt upplagd på landfästena, belastad med utbredda laster från egentyngd och trafik samt punktlaster från axellasterna. Karakteristiska moment och tvärkrafter på stålbalken av egentyngd och trafik beräknades först separat varefter de multiplicerades med dimensioneringsvärden och sedan adderades. Anledningen till att de först beräknades separat var att stålbalkarna i ett första skede dimensionerades i gjutstadiet, se avsnitt 3.1.5, då de endast påverkas av egentyngderna. I nästa steg, se avsnitt 3.1.6, kontrollerades spänningarna av både egentyngd och trafik som uppstår när betongplattan härdat och samverkan uppstått varvid det totala momentet och tvärkraften användes. 21