RAPPORT 2(10) Göteborg, Upprättat av, telefon Reviderat den Arbetsnamn Simon Håkansson

Transkript

1 RAPPORT 1(10) Sverige AB Mats Larsson Dimensionering av borrade stålrörpålar för bro Referensobjekt Botorpström ELU Konsult AB Avdelning Anläggning/Göteborg Lilla Badhusgatan Göteborg Växel: Uppdragsledare/Konstruktör simon.hakansson@elu.se Telefon: W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

2 RAPPORT 2(10) Innehållsförteckning 1. Uppdrag Beskrivning av referensobjektet Generella förutsättningar Underlagsmaterial från Normer Övrig litteratur Beskrivning av beräkning och resultat Beräkningssnitt för pålelementet Snitt 1 - Lastens införande Snitt 2 - Pålens lastkapacitet mht knäckning Snitt 3 - Lastens införande i grund Kostnadsjämförelse Bilagor...10 W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

3 RAPPORT 3(10) 1. Uppdrag ELU Konsult AB har på uppdrag av Sverige AB upprättat ritning och tillhörande beräkningar för en borrad stålrörspåle att användas t.ex. för grundläggning av en bro. Denna rapport utgör en sammanställning av beräkningsresultatet samt innehåller en kostnadsjämförelse. Som utgångspunkt hade vi en rör- i rörpåle (benämns i fortsättningen RIR-påle) med i underlaget från som använts vid ett vindkraftverk i Finland, Raahe Case. Dimensionen på dessa pålar var RD610/12,5 som ytterrör och en dragförankrad kärna av RD220x12.5. Vi konstaterade tidigt att för att slå sig i på bromarknaden måste ytterrörets dimensioner minimeras. Observera att det oftast är ett fåtal pålar per brostöd som behöver dragförankras (dvs RIR-påle). Vårt val för denna studie föll på en RIR-påle med ytterrör RD220x12,5 samt en kärna att ta draglast med bestående av RD90x6,3. Figur 1. Sektion av vald påle vid denna studie. Motivet till detta val är att det är den största RD-pålen med gängad skarv och det är även den största RD-pålen med provningsresultat på skarv och ringborrkrona. Vi har valt att utföra denna studie mot ett verkligt broprojekt, nämligen bro över Botorpström, där man har pålade landfästen av stålkärnepålar. 2. Beskrivning av referensobjektet Bro över Botorpström har tjänat som referensobjekt. Anledningen är bland annat att det i teknisk beskrivning stod att bron skulle utföras med stålrörspålar. Detta förkastades dels på grund av den pressade tidplanen och man valde stålkärnepålar istället för att klara de dragkrafter som pålarna erhåller. Kortfattad information om bron är att den har en fri spännvidd på 71,4 m och är en W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

4 RAPPORT 4(10) samverkansbro av stål med betongfarbana. Stöden utgörs av två pålgrundlagda landfästen. Bron ersätter bro från 1962 vars mittstöd är i mycket dåligt skick, på grund av bristande betongkvalitet i pålplinten. Teknisk livslängd för den nya bron är 80 år. Figur 2. Orienteringskarta för aktuellt broläge Bergytan intill stränderna i norr och söder lutar mycket kraftigt. Även sprick-/krosszonen är så nära tilltänkt brostöd (ca 11 m från plattans kant) att den bedöms kunna påverka detaljutförandet av grundläggningen för detta stöd, t ex avseende spetsbärighet på pålar. I underlaget för bron har man därför föreskrivet att inborrningslängden på pålarna ska vara minst 5 m. Pålarna kommer att stå i sprängstensfyllning under vattenyta varför den dimensionerande avrostningen blir 4,0 mm vilket är mer än normalt. Godstjockleken på stålkärnepålen blev därmed 6,3 mm eftersom Vägverket kräver minst 2,0 mm kvar av godset vid full avrostning. Bron har konstruerats av ELU på uppdrag av NCC och är i skrivande stund under uppförande. Figur 3. Elavation av bron. Vidare är bron är dimensionerad enligt Bro 2004, supplement 2. W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

5 RAPPORT 5(10) 3. Generella förutsättningar 3.1. Underlagsmaterial från Pålkommissionens rapport 104, Borrade stålrörspålar. Arbetsversion Normer Bro 2004, supplement 2 EN Övrig litteratur Pålkommmissionens rapport 96:1 R. P. Johnson and D. Andersson, Designer s guide to EN , Thomas Telford Publishing, R. P. Johnson, Composit Structures of Steel and Concrete, 3:e edition, Blackwell Publishing, M Johansson, Composite Action and Confinement Effects in tubular Steel-Concrete Columns, Institutionen för konstruktionsteknik, Betongbyggnad, Chalmers Tekniska Högskola, Göteborg W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

6 RAPPORT 6(10) 4. Beskrivning av beräkning och resultat Förenklat upptas all tryckkraft av ytterrör och betong. Dragkraft upptas endast av inneröret. Pålarna är spetsbärande med pålspets minst 5,0 m in i berg. Detta innebär att dragförankrade rörpålar blir ytterligare 0,7 m längre för att kunna förankra dragkraften i berg. För Botorpström gäller följande pålkrafter i brott- respektive bruksgräns (långtidslast): LF1 Lastkomb. P max P min P max P min LKIV:a 1848 kn -160 kn 1882 kn 174 kn LKV:b 1173 kn 542 kn 1360 kn 561 kn Totala antalet pålar är 36 st (18+18). För landfäste 1 är det 4 st pålar som behövs dragförankras medans det för landfäste 2 inte krävdes någon. LF Beräkningssnitt för pålelementet Snitt 1 - Lastens införande Kraftöverföringen vid påltoppen sker med en stålplatta som överför belastningen på hela pålens tvärsnitt. Både stålröret och betongkärnan får då samma töjning ε och det uppstår ingen relativ rörelse dem emellan. Därför uppstår ingen vidhäftningsproblematik och fullständig samverkan mellan rör och betong uppnås. Detta kräver att plattan placeras på ett plant avskuret och avjämnat påltvärsnitt. I betongen kan krympningshämnande medel behöva tillsättas. Beräkningsmässigt krävs ingen ytterligare beräkning för detta snitt. Kapaciteten är minst lika hög som i snitt 2. Figur 4. Lastens införande från pålplint till påle. Inre röret som endast upptar dragkraft är inte förankrad i stålplattan. W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

7 RAPPORT 7(10) Snitt 2 - Pålens lastkapacitet mht knäckning Brottgränstillstånd Beräkning följer de beräkningsprinciper som anges EN , samverkanskonstruktioner och speciellt avsnitt 6.7 om kompositpelare vid framtagandet av brottenvelopskurva vid fullständig plastisering av stålrör och betong. Denna visas i Figur 5. Enligt nuvarande betongbestämmelser BBK04 ska en minsta excentricitet på 20 mm beaktas varför den maximala tryckraften därmed blir 1961 kn kn Nmax; 1961 kn 2000 kn 1961 kn 1500 kn Tvärsnittskap 1000 kn Nmax lasteffekt Nrd 500 kn bärförmåga 0 kn 0 kn 0,0 knm 20,0 knm 40,0 knm 60,0 knm 80,0 knm 100,0 knm 120,0 knm 140,0 knm -500 kn kn kn M rd Figur 5. Brottenvelopp för tvärsnittet tillsammans med lasteffekten inritad. Begränsning av max bärförmåga mht till en minsta excentricitet på 20 mm enligt BBK. W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

8 RAPPORT 8(10) Bruksgränstillstånd I bruksgräns (långtidslastfallet) sätter betongpåkänningen gränsen för kapaciteten. Maximal töjning i betongen ε 1 blir i detta fall 1, vilket medför att maximal stålspänning blir 287 MPa (=210 GPa 1, ). Figur 6. Principen för betongspänningens begränsning av kapaciteten med 0,6 f cck för långtidslastfallet. Beräkningen i referensprojektet gav kapaciteten 1383 kn i bruksgräns. Plötsligt hamnade vi nära maximal pålkraft för landfäste 2 (1360 kn). Vi har i princip ingen marginal för pålavvikelser i plan. Det är alltså värt att notera att bruksgräns ofta kan vara dimensionerande för rörpålar. Detta är en av nackdelarna med att använda fullständig samverkan mellan betong och stål då stålet aldrig utnyttjas fullt ut i bruksgräns. W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

9 RAPPORT 9(10) Snitt 3 - Lastens införande i grund Kraftöverföringen vid spetsen kräver att betongen och röret har full kontakt med bergytan. Detta kräver verifiering i utförandeskedet. Vi ser inga problem att föra ned lasten i berget via ytterrör och betong för de vanliga rörpålarna. Det krävs dock att godstjockleken för ringborrkronan samt tillhörande svets kan bära ytterrörets last. Vid RIR-pålarna kan det uppstå problem med underminering av spetsbärförmågan efter det att urborrningen för det inre hålet utförts. Ev. bergutfall Figur 7. Detalj av kraftöverföringen till bergytan via yttre stålröret. På grund av urborrningen för inre röret kan det uppstå en underminering av yttre rörspetsen då berget kan skjuvas och fall ut in i hålet. Vi har inte haft möjlighet att utreda denna fråga vidare men troligtvis kommer det att räcka med att inre röret monteras med kringgjutning för att klara detta bergutfall. Eventuell bergrörelse kommer motverkas av lokala ringkrafter i rör + betong. W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc

10 RAPPORT 10(10) 5. Kostnadsjämförelse Vid kostnadsjämförelsen i referensobjektet har vi endast jämfört mängderna för de olika alternativen. Resultatet visar på en halvering av stålmängden med rörpåle alternativet medans betongmängden ökar med 33 %. Betong är dock billigare än stål varför kostnadsbesparingen är betydande. Kostnadsberäkning Alt 1. Stålkärnepåle Stål: Betong (C30/37): Total mängd 23,3 ton 5,6 m3 Alt 2. Rörpåle Stål: 11,0 ton (47%) Betong (C30/37): 7,5 m3 (133%) Beräkningen baseras på pålmedelängd 7,0 m. För alternativ 2 finns 4 stycken RIR-pålar där kärnans medellängd är 7,7 m. Vi kan ju konstatera att för alternativ 2 så kan man ju välja bort de tekniskt komplicerade RIR-pålarna (4 st) och använda konventionell stålkärnepåle istället. Vi hade ändå fått en besparing gentemot alternativ 1. En mer noggrann kostnadsjämförelse har vi inte kunnat göra då osäkerhet ligger i produktionskostnaden för RIR-pålen med avseende på verifiering av bärförmågan samt kostnaden på kvarlämnade ringborrkronor. 6. Bilagor Bilaga 1. Beräkning av pålens lastkapacitet W:\70209_ stålrörspålar\handlingar\dokument\rapport\k-r001.doc