Samverkansbroar och innovationer

Transkript

1 Image size: 7,94 cm x 25,4 cm Samverkansbroar och innovationer Peter Collin Professor Samverkanskonstruktioner, LTU Mars 2014

2 3 generationer järnvägsbroar

3 Typisk svensk samverkansbro 7.0 m A reinf = 1% A concr = 2 m mm fillet welds h = span/20 22 mm studs, ~10-15/m 4.0 m ~ EURO/m2

4

5

6 I-balk efter skärning och svetsning

7 Fältskarv av underfläns

8 Lansering, teflonlager samt neotopflager

9 ELEM FoU projekt om elementbroar Europeiskt forskningsprojekt som fokuserar på samverkansbroar med prefabricerade farbaneelement. Partners från: Tyskland Image size: 11,29 cm x 10,79 cm Sverige Finland Polen Kompetens samlad från olika områden i brobranschen. Tidsperiod:

10 ELEM-projektet Vad menar vi med begreppet ELEMENT-bro? - En prefabricerad samverkansbro med inte bara prefabricerade stålbalkar, utan även prefabricerade farbaneelement i betong. - FoU-projektet fokuserar på farbaneelement med torra fogar som skall kunna klara av såväl positiva som negativa moment.

11 Varför finns det ett behov av ELEMENT-broar? - Förkortad byggtid vid broläget - Minskade trafikstörningar - Förbättrad arbetsmiljö

12 Microsoft ClipArt-galleri Tidplan för olika alternativ, bro över järnväg, Uppland WEEK Cast in situ composite bridge Substructure Assemblying steel beams Casting of concrete deck Water proofing, pavement Prefabricated deck elements cast, Substructure Assemblying steel beams Prefab deck Casting in shear pockets Water proofing, pavement Prefabricated, "dry" deck elements Substructure Assemblying steel beams Montage prefab Water proofing, pavement

13 Element med torra fogar Ingen färsk betong används i de transversella fogarna mellan elementen. Inget armeringsarbete behövs vid montering av farbanan. Inget epoxy eller annat tätningsmedel används i fogarna. En hård betongyta mot en annan hård betongyta

14 Två viktiga frågor för torra fogar: 1) Hur ska samverkan åstadkommas? 1) ) Hur ska hjultrycken föras över mellan elementen?

15 1) Samverkan genom injektering av kanaler med tvärgående armeringsjärn.

16 2) Hakupplag i match-cast element som numreras. Har testas på LTU både som del av bro och som hakupplag för sig.

17 CH. 5 SHEAR KEYS Paper III RQ3 RQ4 Laboratory tests Test set-up - The support elements were match-cast to one of the specimens, and all specimens were cast in the same steel formwork kn jack capacity - an extra support was used

18 Montering av en elementbro med torra fogar En väldigt liten del av den färska betongen exponeras Concrete på ytan. injection holes Avluftningshål - Tätskiktet och beläggningen kan därmed Det nya elementet Avluftningshål monteras pressas i mot stort det sett direkt efter att kanalerna tidigare monterade har elementet. injekterats. 22 mm 23 mm fritt fritt mått mått vid efter montering montering De teoretiska avstånden mellan armeringen och studsen Farbaneelementet är väldigt små. lyfts på plats => Krävande toleranser ovanpå stålbalkarna.

19 Lyckade pilotobjekt - enspannsbroar Bro över Rokån - En gammal enspannsbro ersattes inom loppet av 30 timmar. - Den nya bron utfördes med en prefabricerad farbana med torra fogar.

20 Bro över järnväg i Norrfors Kurva gav element som tårtbitar

21 CH. 8 UTDRAG UR ROBERT HÄLLMARKS LICENTIATUPPSATS RQ1: What is the state of the art in this field? Paper I, II, III, IV & V RQ1, 2, 3, 4, 5 & 6 RQ2: How does a superstructure with dry deck joints behave under different load situations? RQ3: How do the shear keys fail under a static load? RQ4: How should a rational design calculation of the shear keys be done? CH. 7 RQ5: How is the long term behaviour of the bridge, compared to a composite bridge with a conventional in-situ cast deck slab? RQ6: What is necessary to check in the detailed design of this kind of bridges?

22

23 Utmattning livavstyvningar i broar I-balk med tillhörande livavstyvning. Foto av aktuell utmattningspricka. Svenska Partners: Ramböll, CTH

24 Utmattning livavstyvningar i broar Mattias Nilsson Sekundär utmattning av farbanans deformation

25 WP 3 Fatigue Under Complex Loading q Channel 1 (Red Curve): Stiffener with an un-cracked Connection to the flange q Channel 5 (Blue Curve): Stiffener with a crack in the Connection to the flange 1. Vehicle on the cantilever of the deck 2. Vehicle on the cantilever of the deck 3. Truck passing in the 2nd lane ( ~ in the middle between the main girders) 4. Vehicle in the 1st lane (The lane closest to the main girder but still in between the two main girders) 5. Truck passing in the 1st lane

26 Integrerade landfästen Svenska Partners: Ramböll, LTU

27 Varför välja integrerade landfästen? Inga rörelsefogar Inget läckage Lägre underhållskostnader Inga ändstöd och lager Mindre buller Kortare byggtid

28 Fullskaletest av pålar som simulerar rörelse av temperatur samt last av trafik

29 7. Övre delen av landfästet gjuts 5. Farbanan gjuts 4. Brobalkarna monteras 6. Balkarna förankras i slutpositionen 1. Pålar slås i förborrade hål 3. Den nedre delen av landfästet gjuts 2. Pålarna bäddas in i löst lagrad sand

30 Investering- och underhållskostnader (Petursson, 2001) Euro Maintenance Investment Expansion joints Back walls Integral abutments

31 Bro över Leduån Färdigritad som 2 spanns betongbro. Ramböll fick chansen att rita 1 spans sidoförslag med integrerade landfästen samt samverkansbalkar. Tre stöd+6 lager plockas bort Arbetet kan ske i torrhet utan spont Budget: 10 Mkr Nästan ingen entr lämnade pris på ursprungsförslaget Vinnande anbud: 5,5 Mkr För Rambölls del minusaffär MEN ingår I EU-projekt samt skall instrumenteras av LTU. Sparar dessutom miljoner åt VV.

32 Bro över Leduån

33 Instrumentering av Leduån

34 Lågcyklisk utmattning pålar (ca 5 ggr flyttöjning)

35 Lågcyklisk utmattning pålar All four tests showed the same failure mode, through low cycle fatigue cracks in the steel pipe, as shown in Figure 3. The cracks initiated at the top of the pipe cross-section close to the end of the concrete block. The cracks were first observed at 711, 319, 366 and 402 cycles in the four tests, respectively.

36 Lågcyklisk utmattning pålar De 2 eq s f = E (2N f ) b + e f (2N f ) c In the present work it has been demonstrated that a steel pipe pile can withstand several hundred of cycles with strain ranges that are more than 5 times greater than the yield strain. Piles in integral abutments often have a more complex stress state than the loading of the test specimens and also high cycle fatigue loads to be added to the analysis.

37 Bro över Pitsund Bro från 1984, med spann utan samverkan.

38 Bro över Pitsund Byn väcktes av starkt buller, 72 db till 105 db. Inträffade under tidiga vintermorgnar då tung trafik passerade bron.

39 Bro över Pitsund Uteslutna orsaker till buller: Övergångsanordningar Gångbrygga under brobalkarna Brolager Betongdäcket i sig

40 Bro över Pitsund Orsaker till buller: Betongen fryser fast i stålbalkarnas överfläns Samverkan åstadkoms på så vis, men släpper då skjuvspänningarna blir för stora. Därmed släpps energi ut genom livplåtarna, som agerar högtalare Hur får vi till samverkan vi efterhand?

41 Några förslag från Univ. Of Texas, Austin

42

43

44 Zinkbelagda plåtar som formats 2.25 varv kring sin egen axel. Förs genom stålet in i betongen. Provkropp med 4 förbindare. Försök vid LTU gav Fmax = 800 kn eller 200 kn per styck cycler med amplitud 50 kn. Dimensioneringsvärde 100 kn statiskt, 30 kn i utmattning.

45 1200 skjuvförbindare installerades sommaren 2006, där man med tryckluft slog in Förbindarna genom förborrade hål I överfläns + betong. Det vore intressant att höja bärförmågan för en bro med denna teknik.

46 Varför bedriva FoU-projekt? Stor samhällsnytta inom byggbranschen, som omsätter drygt 10 % av BNP Projekt av denna typ utvecklar personalen Men om EU betalar bara 60%, går man inte back då?

47 1. Finansiering av INTAB-exempel Svensk, nationell motfinansiering från: 1. VV Luleå 2. VV FUD (via Borlänge) 3. Ruukki 4. Ramböll Sverige+Danmark 5. Finska Vägverket 6. Finska Banverket 7. SBUF 8. Fakultetsmedel LTU

48 Tidigare internationella workshops stålbroar Plats: Ramböll, Stockholm Bridges with integral abutments Strengthening of steel bridges Element bridges

49 International Workshop on EC4-2, March 2013 Deltagare från 11 länder Proceedings tillgängliga på LTU.se

50 Öresundsbron, det första större byggprojektet enligt Eurokoderna. Danskarna ville inte ha svenska normer och svenskarna ville inte ha danska normer. Eurokoderna ska nu uppdateras med synpunkter från konstruktörer. Peter Collin, Eurokodutbildningar 50

51 Tack för mig!!