grund förläggning av fjärrvärmeledningar

grund förläggning av fjärrvärmeledningar Stefan Nilsson, Sven-Erik Sällberg, Gunnar Bergström SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut Forskning och Utveckling Värmegles 2006:25

GRUND FÖRLÄGGNING AV FJÄRRVÄRMELEDNINGAR Rapport Värmegles 2006:25 Stefan Nilsson Sven-Erik Sällberg Gunnar Bergström SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut ISSN 1401-9264 2006 Svensk Fjärrvärme AB Art nr 06-11

I rapporten redovisar projektledaren sina resultat och slutsatser. Publicering innebär inte att Svensk Fjärrvärme AB eller styrgruppen för Värmegles Fjärrvärme tagit ställning till slutsatser och resultat.

Sammanfattning Tidigare studier inom programmet Värmegles Fjärrvärme har visat på att det går att minska investeringskostnaderna genom att effektivisera markarbetena vid läggning av fjärrvärmeledningar. Föreliggande projekt har studerat förutsättningarna för att minska läggningsdjupet i typiska villagator i värmeglesa områden utan att öka risken för skador på vare sig rör eller gata. En inventering gjordes av aktuella normer och anvisningar samt lokala föreskrifter från kommuner och energibolag gällande rörschaktens geometri, läggningsdjup, kringfyllningsmaterial, packningsgrad, dränering etc. Därutöver har energibolag och tekniska förvaltningar i ett antal svenska kommuner tillfrågats om vilka regler de följer. Det är i huvudsak endast de större kommunerna som har specifika krav på läggningsdjup i gatumark. På de flesta håll följer man Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar och i mindre kommuner överlåter man i hög grad åt energibolagen att sköta frågan. I några kommuner finns överenskommelser mellan den kommunala förvaltningen och energibolaget att under vissa förutsättningar tillåta grundare förläggning, till exempel i Göteborg, Jönköping och Luleå. En analys av kostnaderna som är förknippade med markarbetena visade på att dessa kan minskas med närmare 30 % genom att minska läggningsdjupet från 600 mm till 350 mm. I ett fältförsök genomfördes mätningar i och kring fyra fjärrvärmerör av typ DN 2 32/160 som förlades 600 mm, 380 mm, 280 mm samt 180 mm under asfaltytan på en tungt och intensivt trafikerad fabriksgata. Återschaktning och asfaltering utfördes som för en typisk villagata i enlighet med Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar. Under försökets gång har mätningar gjorts av rörens deformation, spårbildning i asfaltytan samt gatans bärighetsegenskaper. Rörens deformation har visat sig vara försumbar oavsett vilket djup de läggs på. Detta tolkas som att fyllningen, om den är väl packad, tar upp huvuddelen av krafterna från trafikbelastningen genom valvverkan. Spårbildningen i gatan är däremot tydlig men tycks direkt avspegla sättningar i den nylagda fyllningen så att djupare fyllning ger större sättningar. En grundare rörförläggning medför därför mindre spårbildning i asfaltytan. Grundare förläggning medför något ökade värmeförluster, något större temperaturrörelser i systemet och en ökad risk för knäckning av ledningen uppåt genom överfyllnaden. Sådana aspekter får bedömas från fall till fall. Slutsatsen blir därmed att det tekniskt går att lägga fjärrvärmeledningar grundare i villagator om packningen av kringfyllningen utförs på ett bra sätt och man i övrigt följer de regelverk som finns. Det tycks också finnas goda förutsättningar för energibolagen att få acceptans för detta i sina kommuner. 3

Summary Shallow burial of district heating pipes Previous studies have shown that the investment costs for district heating installations in suburban areas can be lowered with more rational construction work. This project has studied the possibilities of decreasing the laying depth for pipes in residential-area roads without risking damage on neither pipe nor road surface. An inventory of regulations from national and local authorities and district heating companies in Sweden was done. The larger cities have specific requirements regarding laying depth in road structures. In most places, however, the guidelines issued by the Swedish District Heating Association are followed. And in smaller cities, the question is handled directly by the municipal district heating company. In some places, e.g., Göteborg, Jönköping and Luleå, the local authorities and the district heating company have agreed on a smaller laying depth under certain circumstances. An analysis of the costs related to the excavation work, backfilling and asphalt laying showed that the costs can be reduced with about 30 % by decreasing the laying depth from 600 mm to 350 mm. A field trial was done with four twin pipes of dimension 2 DN 32/160 laid 600 mm, 380 mm, 280 mm and 180 mm below the asphalt surface in a road with heavy traffic. Apart from the laying depth, the installation work was done in accordance with the guidelines from the Swedish District Heating Association. During traffic loading, measurements of internal deformations of the pipes, wheel-track depths in the asphalt surface and load-bearing capacity of the road structure were made. The deformation of the pipes is negligible at all laying depths. This is likely due to an arching action from the backfill which supports most of the forces from the traffic load. Significant wheel-tracks were measured, but they seem to correspond directly to settlements in the new soil. Hence, a shallower pipe trench leads to less prominent wheel-tracks. Shallow pipe burial yields slightly larger heat losses, slightly larger temperature movements of the pipeline grid and an increased risk for vertical instability and buckling of the pipeline through the overfill. Such aspects must be considered in each individual case. The conclusion is that shallow burial is technically possible in residential-area roads if the road structure is properly built and the compaction of the backfill is done in a proper way. There are also good possibilities for district heating companies to reach an acceptance for shallow burial with local authorities. 4

Innehållsförteckning 1. Inledning... 7 2. Markarbeten för fjärrvärme... 8 3. Tekniska föreskrifter och riktlinjer... 10 3.1. Anvisningar och handböcker... 10 3.2. Inventering av lokala föreskrifter... 10 3.2.1. Kommunala tekniska anvisningar... 11 3.2.1.1. Göteborg... 11 3.2.1.2. Malmö... 12 3.2.1.3. Stockholm... 12 4. Fältförsök... 13 4.1. Mätningar... 15 5. Mätresultat... 16 5.1. Plattbelastningsförsök... 16 5.2. Rördeformationer... 17 5.2.1. Deformation till följd av trafiklast... 17 5.2.2. Under läggning och asfaltering... 17 5.2.3. Under överfart med personbil... 18 5.2.4. Under plattbelastningsförsök... 18 5.3. Spårbildning i asfaltytan... 20 6. Analys och diskussion... 22 6.1. Besparingspotential... 22 6.2. Rördeformationer... 23 6.3. Spårbildning i asfaltytan... 26 6.4. Styvhetsförhållande mellan rör och kringfyllning... 27 6.5. Jämförelse med villagata... 30 6.6. Övriga parametrar med betydelse för val av läggningsdjup... 30 6.6.1. Tjäle... 30 6.6.2. Värmeförluster... 32 6.6.3. Temperaturrörelser och friktionskrafter... 33 6.6.4. Knäckning vertikal instabilitet... 34 6.6.5. Avgreningar på annan nivå... 34 6.6.6. Befintliga massor i kringfyllningen... 34 6.6.7. Personskaderisker... 35 7. Slutsatser... 36 7.1. Besparingspotential... 36 5

7.2. Myndighetskrav... 36 7.3. Skador på rör och gata... 36 7.4. Rekommendationer... 37 7.5. Framtida arbete... 37 8. Referenser...38 Bilaga A: Inventering av lokala föreskrifter...40 Bilaga B: Mät- och provningsmetoder...43 Invändiga deformationer i rören... 43 Mätning av spårbildning... 44 Plattbelastningsförsök... 46 Insamling av mätdata... 47 Bilaga C: Modell för FEM-beräkningar...49 6

1. Inledning Ett flertal undersökningar pekar på att det går att sänka investeringskostnaderna genom att rationalisera markarbetena vid läggning av fjärrvärmeledningar i främst villaområden men även vid utbyggnad i allmänhet (Molin m.fl. 1997, Claesson 2003, Sandberg 2003a, b). Ett sätt att göra detta är att minska läggningsdjupet. Det skulle innebära direkta ekonomiska vinster i och med att arbetstiden som går åt till att gräva upp och fylla igen schakten minskar. Att minimera grävarbetet innebär dessutom en betydande reduktion av den miljöpåverkan som läggning av fjärrvärmeledningar för med sig (Fröling & Svanström 2002). Syftet med projektet har varit att utarbeta riktlinjer för hur en rörgrav i ett typiskt villaområde kan optimeras med avseende på schaktdjup utan att äventyra vare sig gatan, marken eller ledningen. Målsättningen är att de sammanfattade resultaten skall kunna användas som underlag i diskussioner mellan energibolag, entreprenörer och lokala myndigheter. Projektarbetet har utgjorts av en inventerande del och ett praktiskt fältförsök. Den inventerande delen har bestått av litteraturstudier av aktuella normer, anvisningar samt lokala föreskrifter från kommuner och energibolag då det gäller rörschaktens geometri, läggningsdjup, kringfyllningsmaterial, packningsgrad, dränering med mera. Därutöver har ansvariga personer från kommuner och energibolag tillfrågats om vilka regler de följer. Det praktiska fältförsöket bestod av en utvärdering av hur rör och gata deformeras av tung trafiklast vid förläggning på olika djup under asfaltytan. Projektet har finansierats av Värmegles Fjärrvärme, Göteborg Energis stiftelse för forskning och utveckling och SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut. Arbetet har utförts av SP i Göteborg i samråd med en referensgrupp bestående av Maria Dahlgren, Göteborg Energi AB; Göran Johansson, Powerpipe Systems AB; Sven Liedberg, Skanska Teknik; Jan Lindeberg, Öresundskraft; Per Lyngnholm, SBS Entreprenad samt Thomas Samuelsson, Jönköping Energi. 7

2. Markarbeten för fjärrvärme Fjärrvärme är en miljöeffektiv uppvärmningsform. I dagsläget är fjärrvärmen väl utbyggd till större fastigheter och i tätorternas centrala delar. När det gäller värmeglesa områden är dock fjärrvärmen än så länge utbyggd i mindre omfattning. I dessa områden är nyanslutningstakten låg främst beroende av att kostnaderna för att ansluta småhus är alltför höga. I många fall är det svårt för fjärrvärmeföretagen att skapa lönsamhet i så kallade värmeglesa nät samtidigt som det är svårt att få husägarna intresserade. Anslutningskostnaderna för enskilda fastigheter i värmeglesa områden ligger idag på cirka 83 000 kronor per fastighet (Bjurström och Wingqvist 2004). Lägre anslutningsavgifter ökar fjärrvärmens konkurrenskraft vilket höjer anslutningsgraden, det vill säga fjärrvärmealternativet blir intressantare i förhållande till andra uppvärmningsformer. Markarbetena står idag för närmare 40 % av anslutningskostnaderna (Sandberg 2003b). Till markarbetet kan härröras uppsågning, avhyvling och bortforsling av gammal asfalt, uppgrävning av schakt, läggning av stålplåtar där framkomlighet för bilar skall vara möjlig, deponi eller mellanlagring av schaktmassor, iordningställande av rörbädd, återfyllning och packning av kringfyllning och bärlager efter rörmontage, samt slutligen asfaltering (Sandberg 2003a). Om läggningsdjupet minskas kan rörschaktet göras grundare vilket medför att volymen schaktmassor som skall hanteras minskar. Om befintliga massor skall återfyllas blir volymen som skall mellanlagras mindre och kräver därmed mindre yta vilket ökar möjligheterna att mellanlagra utmed schaktet. Om schaktet inte skall återfyllas med befintliga massor minskar volymen schaktmassor som skall transporteras bort från schaktet samtidigt som volymen nytt kringfyllningsmaterial som skall transporteras till schaktet vid återfyllning också minskar. För varje decimeter som schaktdjupet minskas minskar kostnaden med cirka 25 kronor per meter för schakt med standardbredd (Sandberg 2003b). Då schaktkanterna sluttar med en bestämd vinkel för att eliminera att kanterna rasar ner innebär detta att även schaktbredden i gatuplanet minskar med grundare schakt, då bredden i botten av schaktet är bestämd. Detta leder i sin tur till att mindre mängd gammal asfalt behöver brytas upp och forslas bort. Gammal asfalt deponeras som miljöfarligt avfall. Vidare minskar även mängden ny asfalt vid asfaltering efter att schaktet lagts igen. Asfalteringskostnaderna är dessutom en betydande kostnadsparameter i många kommuner. I genomsnitt uppskattar Sandberg (2003a) att ett smalare schakt minskar kostnaderna med cirka 70 kronor per meter för varje decimeter schaktet kan göras smalare (räknat på schakt med standarddjup). Även risken att möta korsande hinder som el- och telekablar minskar, då möjligheterna att passera över dessa ökar. Detta i sin tur ökar möjligheterna att utföra stora delar av rörarbetet ovan mark vilket leder till att schakten även av detta skäl kan göras smalare. Grundare schakt minskar även risken för att grundvattennivån når upp och vattenfyller schaktet. Detta innebär bättre arbetsmiljö och minskad olycksfallrisk. Främst blir det enklare att utföra skarvningsarbetet på fjärrvärmerören då det är lättare att jobba i ett smalt grunt schakt jämfört med i ett smalt och djupt schakt. Grundare schakt medför därmed att tiden som åtgår för transporter minskar, tiden som åtgår till grävning minskar, tiden för packning av kringfyllning minskar samt att tiden för asfalteringsarbetet minskar. Detta innebär utöver ekonomiska vinster även miljövinster när maskiner och fordon får kortare drifttid och därmed förbrukar mindre bränsle. Vid nedläggning av fjärrvärmerör i traditionella schakt står dieseldrivna 8

fordon och maskiner för 80 % av koldioxidutsläppen. Kortare tid med öppna schakt ger även mindre störningar för passerande trafik och för de boende i området. För de boende innebär det till exempel kortare tid med stålplåtar som överfarter in till fastigheterna. Då arbetet tar kortare tid ökar anslutningshastigheten (Reidhav 2005) som ger både ekonomiska och miljömässiga vinster då fler till exempel gamla oljepannor snabbare kommer ur drift. När anslutningshastigheten ökar minskar tiden från plan till ansluten abonnent, vilket snabbare höjer utnyttjandegraden av fjärrvärmeverkets kapacitet. Sammantaget betyder detta att när kostnaderna för personal, fordon, maskiner och annan utrustning minskar blir i slutänden anslutningsavgiften för fastigheterna lägre. Grundare schakt skapar även förnyade möjligheter att utveckla och använda enklare och snabbare grävningsmetoder, samtidigt som utveckling och utnyttjande av alternativa kringfyllningsmaterial främjas. Kedjegrävning, fräsning, plöjning, styrd borrning, hammarborrning, jordraket, hydraulpressning samt rammning är metoder som idag används i olika omfattning till andra typer av rörinstallationer (Bjurström och Wingquist 2004). Slutligen finns det dock ett antal parametrar som måste beaktas vid förändringar i de traditionella schaktningsdjupen och läggningsmetoderna. På trafikerade ytor är det viktigt att inga sättningar uppstår vid belastning. Styvheten i överfyllnaden mellan rör och markyta måste ha samma styvhet som omgivande mark samtidigt som den skall verka som ett skydd för ledningen. Speciellt gäller detta vid belastningar från tung trafik. Överfyllnaden skall även bidra till att fixera ledningen vid temperaturväxlingar i nätet både när det gäller friktion som att förhindra vertikal knäckning. De båda senare aspekterna är sannolikt av mindre vikt beträffande ledningar av små dimensioner. 9

3. Tekniska föreskrifter och riktlinjer De flesta energiverk och kommunala förvaltningar tycks hänvisa till antingen Anläggnings AMA 98 (1999) eller Svensk Fjärrvärmes Läggningsanvisningar för fjärrvärmerör (2001) då det gäller läggningsdjup för ledningar. Utöver detta tycks det vara tunnsått med specifika krav. Undantag är Malmö (Malmö stad 2002), Göteborg (Göteborgs stad 2002) och Stockholm (Stockholms stad 2000), där de tekniska förvaltningarna har krav på gatans uppbyggnad som är striktare än vad som föreslås av Svensk Fjärrvärme, se nedan. 3.1. Anvisningar och handböcker Anläggnings AMA 98 1 med tillhörande Råd och anvisningar, RA 98 (1999), ges ut av Svensk Byggtjänst. Avsikten med AMA är att den skall tjäna som underlag vid upprättande av beskrivningar samt syftar till att förenkla arbetet vid formuleringar av beställares krav på den färdiga produkten och dess olika delar. Publikationen innehåller inga direkta anvisningar om läggningsdjup för ledningar i gata, men talar en del om schaktmetoder, packning av fyllningsmaterial, schaktbredd, med mera. Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar hänvisar till Anläggnings AMA 98 vad gäller utförande men kompletterar bland annat med tillåtna kornstorleksfördelningar för fyllningsmaterial och typsektioner för fasta och flexibla enkel- respektive dubbelrör. Vägverkets krav vad gäller byggande, underhåll och bärighetsförbättringar av vägobjekt återfinns i ATB VÄG 2004 (Vägverket 2004). ATB VÄG används som underlag vid upphandling vid byggande av vägar. Vägöverbyggnader utformade enligt ATB VÄG 2004 förväntas få en teknisk livslängd på minst 20-40 år beroende på konstruktionstyp. Kommunförbundet har gett ut ett antal rapporter och handböcker som berör problemområdet. Några av dessa är Ledning för grävning (Svenska Kommunförbundet 1998) som belyser problemen kring grävning i allmän mark i samband med ledningsarbeten, Bära eller brista (Svenska Kommunförbundet 2003a) som är en handbok för tillståndsbedömning av belagda vägar samt Dimensionering för tung trafik i kommunal gatumiljö (Svenska Kommunförbundet 2003b) som är en rapport med syfte att kartlägga dagens praxis bland landets kommuner när det gäller dimensionering av gator och vägar med tung trafik. 3.2. Inventering av lokala föreskrifter En mindre inventering av lokala föreskrifter genomfördes genom att den kommunala gatuförvaltningen och det lokala energibolaget i ett antal svenska kommuner tillfrågades om vilka regler de har att rätta sig efter vid förläggning av ledningar i gatumark. De kommuner och energibolag som tillfrågats framgår av Tabell 1. Sammanfattningsvis konstaterades att intresset för fjärrvärmeledningsfrågorna ute i kommunerna ofta är något svalt. Man överlåter i hög grad åt energibolagen att sköta dessa frågor. 1 AMA står för Allmän material- och arbetsbeskrivning. Anläggnings AMA 98 ersätter den tidigare Mark AMA 83. 10

3.2.1. Kommunala tekniska anvisningar I Stockholm, Göteborg, Malmö och Borås har kommunerna lokala regler och anvisningar för schaktning och återfyllning i allmän platsmark vilka innefattar bland annat fjärrvärmeledningar. I dessa regleras bland annat vem som ansvarar för vad och vem som utför vad. Med undantag av Borås så anges även läggningsdjup för ledningar i gata. För gatuförvaltningens vidkommande är det gatans hållfasthet som är av primärt intresse och man anger normalt att ledningar inte får finnas i överbyggnaden då man är rädd för att dessa skall försämra gatans bärighet. När det gäller fjärrvärme så står alltid energibolaget för kostnaderna gällande nyinstallationer och fortlöpande underhåll av ledningssystemen. Exempel på skillnader kan vara att i en del kommuner sköter kommunen gatubeläggningarna och energibolagen får betala dem för beläggningsarbetet i samband med schaktningsarbeten, i andra kommuner sköter energibolagen detta själva. Ett annat exempel på skillnader som framkom är att i en del kommuner får energibolagen till kommunen betala hyra för det utrymme som ledningarna tar upp i marken, i andra kommuner tas inte någon sådan kostnad ut. I de mindre kommunerna hänvisar man direkt till energibolagen när det gäller frågor om förläggning av fjärrvärmeledningar. I de flesta fall varierar det rekommenderade läggningsdjupet med trafikintensiteten. I lokalgator, med måttlig trafik, använder sig de flesta av ett läggningsdjup mellan 600 mm och 700 mm. Med läggningsdjup menas i de här fallen avståndet mellan hjässan på ledningen och ytan på gatan. Ett undantag är Göteborg, där energibolaget fått speciell dispens av trafikkontoret att använda sig av ett grundare schakt för dubbelrör, Bild 1. Tabell 1 sammanfattar läggningsdjupet hos de olika kommunerna baserat på de anvisningar man följer. En mer detaljerad sammanställning återfinns i bilaga A. Tabell 1 Krav på läggningsdjup i måttligt trafikerade gator Läggningsdjup för fasta enkelrör, mm Läggningsdjup för fasta dubbelrör, mm Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar 600 600 Borås 1 600 600 Göteborg 600 430 2 Karlstad 1 600 600 Jönköping 350 350 Luleå 480-510 3 480-510 3 Malmö 650 650 Stockholm 700 700 1 Hänvisar till Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar 2 Efter särskild överenskommelse mellan Göteborg Energi och Trafikkontoret 3 480 mm gäller för lågt trafikerad gata och 510 mm för villagata med busstrafik Sammanställning av krav på läggningsdjup (mellan rörhjässa och asfaltyta) i måttligt trafikerade gator i några svenska kommuner. Summary of required laying depths (measured between the crown of the pipe and the asphalt surface) in suburban roads in some Swedish cities. 3.2.1.1. Göteborg Trafikkontoret i Göteborg har regler som bland annat redovisar tekniska krav vid schaktnings- och återfyllningsarbeten (Göteborgs stad 2002). Som komplement till bestämmelserna gäller ATB VÄG (Vägverket 2004) och TPU (Göteborgs stad 2005). 11

Göteborg Energi har jobbat aktivt med att minska kostnaderna för markarbeten vid fjärrvärmeinstallationer och har fått tillåtelse av Trafikkontoret att använda en grundare schaktsektion för dubbelrör i villagator, Bild 1. Dispensen gäller under förutsättning att gatan efter återställning har en tillräcklig bärighet. Denna skall utvärderas med ett så kallat plattbelastningsförsök (Vägverket 1993) där deformationsmodulerna E v1 och E v2 samt bärighetskvoten E v2 /E v1 bestäms 2. Man har kommit överens om följande krav: Plattbelastningsförsök genomförs i ca. 5 punkter per km schakt. För minst 4 av fem kontrollpunkter skall: o Bärighetskvoten E v2 /E v1 < 2,8. o E v2 80 MPa eller större än motsvarande modul i befintlig gata. För samtliga kontrollpunkter skall E v2 50 MPa. Bild 1 Göteborgs schakt för dubbelrör Specialsektion för dubbelrör i Göteborg med 430 mm läggningsdjup. Special trench in Göteborg for twin pipes with 430 mm laying depth. 3.2.1.2. Malmö Gatukontoret i Malmö har bestämmelser som beskriver ansvarfördelning vid arbeten i gator parker och annan platsmark i (Malmö stad 2005). Vidare behandlas vad som gäller vid planering, utförande, då arbetet är klart, tekniska krav med mera. De tekniska kraven redovisar bland annat minsta förläggningsdjup i huvudgata, lokalgata, gångbana och övriga ytor. Vidare beskrivs vid återställning bland annat tjocklekar på bärlager och förstärkningslager. I övrigt hänvisas till Anläggnings AMA och VÄG 94 3. 3.2.1.3. Stockholm Stockholms Gatu- och Fastighetskontor har ett liknande regelverk (Stockholms stad 2000). I detta regleras allt från projektering till miljöaspekter gällande Stockholms Stad. 2 Deformationsmodulen E v2 används som ett mått på markens bärighet (egentligen dess styvhet). Bärighetskvoten ger en indikation på hur väl packad jorden är. Se bilaga B, sidan 47, för en detaljerad beskrivning av ett plattbelastningsförsök. 3 VÄG 94 är numera ersatt av ATB VÄG 2004. 12

4. Fältförsök Fältförsöket genomfördes genom att fyra stycken tre meter långa fjärrvärmerör av typ DN 2 32/160 förlades i en av transportgatorna inne på fabriksområdet tillhörande rörtillverkaren Powerpipe Systems AB i Hisings-Kärra. Den tunga trafiken (fordon som väger 25-30 ton) här är avsevärt intensivare än på en normal villagata vilket möjliggjorde ett accelererat skadeförlopp på gata och rör. Trafikintensiteten uppskattas till 50 60 överfarter med fullastade långtradare per vecka samt 125 150 tunga trucktransporter per vecka. De tunga truckarna väger cirka 12 ton utan last. Hela installationen med undantag för läggningsdjupet utfördes inom ramen för Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar av SBS Entreprenad AB som är vana vid den här typen av arbeten. Rören lades på fyra olika läggningsdjup i två spår enligt figuren i Bild 2 så att den tunga trafiken körde över rören i längdriktningen. Läggningsdjupen, räknat från ovansida asfalt till rörhjässan, var enligt följande: 1. 600 mm enligt Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar FVF D:211 2. 380 mm 3. 280 mm 4. 180 mm Bild 2 Skiss över rörens placering De fyra rörens placering i gatan samt läggningsdjupet för respektive rör. Locations and laying depths of the four district heating pipes. Bild 3 Schaktsektioner med olika läggningsdjup Rör 1 600 mm Rör 2 380 mm Rör 3 280 mm Rör 4 180 mm Bädd 100 mm Asfalt 80 mm Schaktsektioner för de fyra olika läggningsdjupen där samtliga schakt i botten har schaktbredden 800 mm. Samtliga schakt är täckta med 80 mm asfalt. The four different trenches with different laying depths, all trenches have a bottom width of 800 mm. All the trenches are covered with 80 mm of asphalt. 13

Rörschakten grävdes upp till schaktdjup motsvarade läggningsdjupet för respektive rör plus mantelrörsdiametern 160 mm. Rören placerades på mjuk bädd som jämnats till i botten av schakten. Bädden var cirka 100 mm tjock. Rören kringfylldes med krossmaterial med kornstorlek 0-18 mm varefter kringfyllningen packades med en vibratorplatta som vägde 400 kg. Slutligen täcktes försöksfältet med ett nytt 80 mm tjockt asfaltlager bestående av bärlager 45 mm AG 4 med 16 mm sten och toppmassa 35 mm ABT 5 med 40 mm sten 6. Två referensområden, utan rör, iordningsställdes också. Referensområde 1 schaktades i sluttning mellan rör 2 och 4 med ett djup på ca 440 mm i medeltal. I referensområde 2 lämnades den befintliga fyllningen orörd endast asfalten togs upp och ersattes. Den befintliga fyllningen bestod av grusmaterial med största stenstorlek cirka 60 mm. Den befintliga fyllningen har legat orörd sedan fabriksområdet togs över av Powerpipe 1980. Sannolikt har ytan varit hårdgjord och utsatts för tung trafik ända sedan 1967 då fastigheten byggdes. På fabriksområdet tillverkades fram till 1980 betongelement till bostadsfastigheter. Bild 4 Försöksfält med öppet schakt Öppna schakt innan teströren placerats ut. Open trenches before the test pipes were installed. Bild 4 visar ett fotografi av försöksfältet innan rören lagts på plats. Schaktet är förberett för läggningsdjupet 600 mm (till vänster närmast i bild), 380 mm (till höger närmast i bild) 280 mm, (till vänster längst bort i bild) och 180 mm (till höger längst bort 14 4 Asfaltgrus, AG, är en blandning av stenmaterial och låg halt av bitumen. AG används som bärlager för att ge god stabilitet. 5 Tät asfaltbetong, ABT, har relativt god nötningsbeständighet och god stabilitet. ABT kan användas som bind-, bär- och slitlager på alla typer av vägar. 6 Bortsett från läggningsdjupet för utfördes schaktning och fyllning enligt Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar FVF D:211.

i bild). Bild 5 visar foton av försöksfältet efter att rören installerats och schaktet fyllts igen och kringfyllningen packats före och efter asfaltering. Bild 5 Försöksfält före och efter asfaltering Försöksfältet före och efter asfaltering. The test field before and after the new asphalt was laid. Innan trafik tilläts på försöksfältet utfördes inledande referensmätningar. De inledande referensmätningarna bestod av uppmätning av nollvärden för samtliga i teströren inmonterade givare, avvägning av försöksfältet genom att mäta upp ett antal fixpunkter mitt i försöksfältet där inga trafiklaster väntas uppstå, uppmätning av asfaltytornas profiler samt plattbelastningsförsök. 4.1. Mätningar Under försökets gång mättes rörens invändiga deformationer för att bedöma i vilken grad rören påverkas och hur detta beror av läggningsdjupet. Asfaltytans nivå och profil kontrollerades några gånger för att utvärdera sättningar i fyllningen och spårbildning i körbanan. Därutöver gjordes plattbelastningsförsök 7 för att utvärdera gatans bärighet före och efter trafikbelastning. De genomförda mätningarna beskrivs i detalj i bilaga B. 7 Enligt Vägverkets metodbeskrivning VVMB 606 (1993). 15

5. Mätresultat Försöksområdet var trafikerat mellan 2005-09-28 och 2005-11-29, med uppehåll mellan 2005-10-28 och 2005-11-04. Under den trafikerade perioden passerade ca. 4400 tunga fordon (lastbilar och truckar). Siffran är en uppskattning baserad på uppgifter från Powerpipe Systems transportansvarige. Under perioden sjönk marktemperaturen från ca. 17 C till ca. 2 C. Tabell 2 Marktemperaturer Marktemperatur ( C), 540 mm under asfaltytan. 2005-09-22 2005-09-27 2005-10-28 2005-11-04 2005-11-29 2005-12-01 17 16 8 9 3 2 Marktemperaturer uppmätta i ledningsbädden vid rör nr 2. Ground temperatures measured in the bedding layer of pipe no. 2. 5.1. Plattbelastningsförsök Det första plattbelastningsförsöket utfördes 2005-09-27 innan trafiken släpptes på och det andra 2005-12-01 efter att cirka 4400 tunga transporter passerat över området. I båda fallen utfördes proven på de punkter som anges i Bild 30. I Tabell 3 redovisas uppmätta deformationsmoduler och bärighetskvoter från de bägge provtillfällena. Proven visar på att deformationsmodulerna, E v, ökat i samtliga fall förutom E v2 för mätpunkten ovanför rör 2. Bärighetskvoterna, E v2 /E v1, har ökat vid rör 3 och rör 4, i resterande fall har den minskat. Tabell 3 Deformationsmoduler och bärighetskvoter Plattbelastningsförsök Plattbelastningsförsök 2005-09-27 Före trafiklast 2005-12-01 Efter trafiklast Ev1 Ev2 Ev2/Ev1 Ev1 Ev2 Ev2/Ev1 Mätpunkt MPa MPa - MPa MPa - Rör 1 1 600 mm överfyllnad 48 96 2,0 55 100 1.8 Rör 2 380 mm överfyllnad 44 95 2,2 59 87 1.5 Rör 3 280 mm överfyllnad 37 77 2,1 54 129 2.4 Rör 4 180 mm överfyllnad 29 44 1,5 29 64 2.2 Referens 76 227 3,0 90 229 2.5 Ny asfalt på befintlig fyllning 1 Överfyllnadshöjden inkluderar ett asfaltskikt på 80 mm. Resultat från plattbelastningsförsök. Deformation moduli from plate bearing tests. Att E v2 har ökat (förutom den marginella minskningen vid rör 2) tyder på att bärigheten hos vägen har ökat under tiden som försöken pågått. Jämfört med de djupare förlagda rören har bärigheten ökat något mer vid rör 4 och avsevärt mer vid rör 3. Detta skulle kunna bero på att den opackade ledningsbädden ligger närmare markytan i de fallen, eller på svårigheter att åstadkomma en god packning då rören ligger nära ytan. 16

5.2. Rördeformationer De uppmätta rördeformationerna är generellt sett mycket små. De ackumulerade deformationerna efter två månaders belastning med tung trafik är maximalt omkring 0,3 mm, eller cirka 0,5 % av isoleringstjockleken. 5.2.1. Deformation till följd av trafiklast Diagrammet i Bild 6 visar deformationerna i rören i förhållande till antalet överfarter med tunga fordon. Mätresultaten som redovisas i diagrammet bygger på mätresultat från fyra tillfällen. De första mätningarna utfördes då rören lades och försöksområdet asfalterades. Det andra mättillfället ägde rum efter att ca. 2400 tunga fordon passerat över försöksområdet. Därefter var trafiken avstängd under en vecka. Innan trafiken åter släpptes på utfördes den tredje mätningen. Slutligen genomfördes den avslutande mätningen efter att ca. 4400 tunga fordon passerat. Resultaten visar att i samtliga mätpunkter ökar deformationen ju fler fordon som passerar. Under veckan då trafiken var avstängd minskade deformationerna marginellt i några av mätpunkterna för att åter öka när trafiken ånyo släppts på. Inget tydligt mönster kan ses vad gäller sambandet mellan rördeformationer och läggningsdjup. Den största sammantryckning kan ses i rör nr 3 (380 mm läggningsdjup) och uppgår till totalt knappt 0,3 mm inräknat deformationer både vid rörhjässa och botten. Bild 6 Rördeformationer under trafiklast 0.2 0.16 Rör 1 undersida Rör 2 ovansida Rör 2 undersida Rör 2 ovansida Rör 3 undersida Rör 3 ovansida Rör 4 undersida Rör 4 ovansida 1 vecka utan överfarter Deformation, mm 0.12 0.08 0.04 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Antal överfarter med tunga fordon Rördeformation i förhållande till antal överfarter med tunga fordon. Värdet noll på deformationsaxeln representerar utgångsläget när rören lagts ned i graven. Pipe deformations vs. no. of heavy vehicle passages. Zero on the deformation axis represents the initial state when the pipes were placed in the trench. 5.2.2. Under läggning och asfaltering Diagrammet i Bild 7 beskriver deformationsförloppen i rören under tiden rören täcks med kringfyllning som efter hand packas varefter ytan asfalteras. Under den första timmen i diagrammet täcks rören med kringfyllning vilken efter hand packas. 17

Bild 7 Rörläggning och asfaltering 0.4 0.3 Rör 1 undersida Rör 1 ovansida Rör 2 undersida Rör 2 ovansida Rör 3 undersida Rör 3 ovansida Rör 4 undersida Rör 4 ovansida Deformation, mm 0.2 0.1 0.0-0.1 0 4 8 Uppmätta rördeformationer under fyllning och asfaltering. Värdet noll på deformationsaxeln representerar utgångsläget när rören lagts ned i graven. Measured pipe deformations during backfilling and asphalt laying. Zero on the deformation axis represents the initial state when the pipes were placed in the trench. Det exakta händelseförloppet under arbetet är oklart. Det ser i diagrammet ut som om ett tungt fordon parkeras över rör 4 och blir stående där i två timmar. Asfalten börjar läggas vid omkring sex timmar. 5.2.3. Under överfart med personbil I Bild 8 redovisas en mätning där en personbil, Volvo V50, passerar in med höger framhjul och därefter med höger bakhjul rakt över först rör 2 och sedan rör 3. Efter detta backades bilen tillbaka samma väg. Då personbilen har kortare avstånd än 2 m mellan hjulen på samma axel passerade inte de vänstra hjulen rakt över rör 1 och rör 3, utan något innanför dessa. Detta är orsaken till att kurvorna gällande rör 2 och rör 4 tydligt återspeglar hur bilen passerar, medan kurvorna gällande rör 1 och rör 3 registrerar betydligt mindre påverkan på rören. 5.2.4. Under plattbelastningsförsök För att kunna jämföra hur mycket fjärrvärmeröret deformeras i förhållande till pålagd belastning utfördes ett plattbelastningsförsök över rör 4 där lasten dokumenterades samtidigt som deformationerna uppmättes. Provet utfördes genom att i steg upp till 0,5 MPa belasta en styv stålplatta med diameter 330 mm rakt ovanför deformationsgivarna i röret. Resultatet av detta prov redovisas i diagrammet i Bild 9. Kurvorna visar tydligt hur rören deformeras i samma takt som lasten ökar. Röret deformeras mest på ovansidan. När lasten sedan tas bort klingar deformationen av. Tid, h 18

Bild 8 Överfart med personbil 0.025 0.020 0.015 Rör 1 undersida Rör 1 ovansida Rör 2 undersida Rör 2 ovansida Rör 3 undersida Rör 3 ovansida Rör 4 undersida Rör 4 ovansida Deformation, mm 0.010 0.005 0.000-0.005 0 20 40 60 Rördeformationer under överfart med personbil (Volvo V50). Värdet noll på deformationsaxeln motsvarar läget vid överfartens början. Pipe deformations during passage with a Volvo V50. Zero on the deformation axis represents the state when the passing starts. Tid, s Bild 9 Plattbelastningsförsök rakt ovanför deformationsgivare 0.16 0.14 Rör 4 undersida Rör 4 ovansida Ytlast (MPa) på Ø 330 mm platta på asfalt 0.6 0.5 0.12 Deformation, mm 0.1 0.08 0.06 0.4 0.3 0.2 MPa 0.04 0.02 0.1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Tid, min 0 Deformationer i rör 4 (läggningsdjup 180 mm) under pågående plattbelastningsförsök. Värdet noll på deformationsaxeln motsvarar läget vid pålastningens början. Deformations in pipe 4 (laying depth 180 mm) during plate bearing test. Zero on the deformation axis represents the state when the loading starts. 19

5.3. Spårbildning i asfaltytan De uppmätta vägprofilerna längs de sex mätsträckorna före och efter trafikbelastning visas i Bild 10. Spårdjupen, beräknade som skillnaden i vertikalled mellan profilerna, visas i Bild 11 och Tabell 4. Djupen hos de spår som bildats i asfalten av trafikbelastningen varierar starkt: från knappt 5 mm i referensområde 2 (ny asfalt på befintlig fyllning) till omkring 20 mm vid rör 1 (600 mm läggningsdjup) och i referensområde 1 (440 mm ny fyllning). Grovt sett tycks djupet hos spåren följa mäktigheten hos den nylagda fyllningen. Bild 10 Profiler i asfaltytan före och efter trafikbelastning Tredimensionell framställning av uppmätta profiler före och efter trafiklast under 2 månader. Vägbanan löper i nord-sydlig riktning. De tjocka linjerna visar ursprungsprofilen innan trafiken släpptes på. De tunna linjerna visar profilen efter ca. 4400 överfarter med tunga fordon. Z max anger största deformationen i förhållande till ursprungsprofilen för respektive mätsträcka. Three-dimensional view of measured profiles on road surface before and after heavy traffic during 2 month. The road runs in the north-south direction. Thick lines show the initial profile before the traffic loading commenced. Thin lines show the profile after approximately 4400 passages with heavy vehicles. Z max is the maximum deformation in relation to the initial state. 20

Bild 11 Spårdjup i asfaltytan -10 Rör 4-180 mm Z max = 6,1 mm 0 Rör 2-380 mm Z max = 13,5 mm Referens 2 - ny asfalt Z max = 4,8 mm Spårdjup, mm 10 Rör 3-280 mm Z max = 17,6 mm Rör 1-600 mm Z max = 20,2 mm Referens 1 - schaktdjup 440 mm Z max = 19,2 mm 20-2000 -1000 0 1000 2000 Avstånd från vägmitt, mm Spårdjup som skillnaden i vertikalled mellan uppmätta profiler före och efter trafiklast. Depths of wheel tracks as the vertical difference between profiles measured before and after traffic loading. Tabell 4 Spårdjup Spårdjup i asfaltyta 2005-11-29 Efter trafiklast Mätpunkt mm Rör 1 600 mm överfyllnad 1 20,2 Rör 2 380 mm överfyllnad 13,5 Rör 3 280 mm överfyllnad 17,6 Rör 4 180 mm överfyllnad 6,1 Referens 1 Ca 440 mm ny fyllning + ny 19,2 asfalt Referens 2 Ny asfalt på befintlig fyllning 1 Överfyllnadshöjden inkluderar ett asfaltskikt på 80 mm. 4,8 Uppmätta spårdjup i vägbanan över de olika provrören och referensområdena. Measured depths of wheel tracks in the road over the different test pipes and reference areas. 21

6. Analys och diskussion 6.1. Besparingspotential Om läggningsdjupet minskas blir mängden schaktmassor och asfalt 8 som behöver hanteras mindre. Detta medför besparingar i såväl tid som kostnader. I det följande exemplifieras detta med ett räkneexempel där tidsåtgång och materialkostnader jämförs för två fall. Ledningen utgörs av ett dubbelrör med mantelrörsdiametern 160 mm. Ledningen läggs i standardsektion enligt Svensk Fjärrvärmes läggningsanvisningar (se Bild 24 och Tabell 10 i bilaga A) med överfyllnadshöjderna 600 mm (standard) och 350 mm. Uppskattningar av tidsåtgång och materialkostnader har fåtts från SBS Entreprenad AB (2006). Materialhanteringen kan minskas med omkring 39 ton massor och 7 kvadratmeter asfalt per 100 m ledningsschakt, Tabell 5. Tabell 5 Schaktmassor och asfalt Läggningsdjup Besparingspotential 600 mm 350 mm Uppschaktade massor 120 ton 81 ton 39 ton Återfyllt nytt fyllningsmaterial 102 ton 63 ton 39 ton Asfalt 81,5 m² 74,5 m² 7,0 m² Skillnader i schaktmassor och asfaltmängd för 100 m standardschakt jämfört med grundare schakt. Differences in excavated masses, backfill and asphalt in 100 m standard trench compared to shallower (350 mm) trench. Tidsåtgången för uppschaktning, återfyllning och asfaltering kan uppskattas schablonmässigt, Tabell 6. För 100 m ledningsschakt kan man spara uppskattningsvis 13,3 timmar. Tabell 6 Tidsåtgång Tid i timmar vid läggningsdjup 600 mm 350 mm Besparingspotential i timmar Uppschaktning och bortforsling av 20 13,4 6,6 schaktmassor Återfyllning med nytt fyllningsmaterial 16 10 6,0 Asfaltering med ny asfalt 8 7,3 0,7 Summa 44 30,7 13,3 Skillnader i tidsåtgång för markarbeten i 100 m standardschakt jämfört med grundare schakt. Differences i working hours for 100 m of standard trench compared to shallower trench. Om man sedan sammanväger besparingspotentialen i ekonomiska termer för grundare schakt utifrån kostnaderna som redovisas i Tabell 7 så kan man slutligen beräkna den möjliga besparingspotentialen. 22 8 Ett grundare schakt ger, genom schaktväggarnas lutning, en smalare schaktöppning och därigenom en mindre asfaltarea.

En sammanvägning av beräknade kostnader för de bägge fallen visar på en kostnadsbesparing på cirka 19 000 kr per 100 m om överfyllnadshöjden minskas från 600 mm till 350 mm, Tabell 8. Tabell 7 Kostnader Tippavgift bortforslade schaktmassor 45 kr/ton Pris nytt fyllningsmaterial 55 kr/ton Kapacitet lastbil 13 ton Medelavstånd till närmsta tipp 15 km Timkostnad, lastbil 550 kr/h Timkostnad grävare 600 kr/h Asfalteringskostnad 175 kr/m² Kostnader för hantering av schaktmassor och asfalt. Costs for handling of excavated masses, backfill and asphalt. Tabell 8 Kostnadsjämförelse Kostnader i kr vid läggningsdjup 600 mm 350 mm Besparingspotential i kr Uppschaktning och bortforsling av schaktmassor 28 000 19 000 9 000 Återfyllning med nytt fyllningsmaterial 24 000 15 000 9 000 Asfaltering med ny asfalt 14 000 13 000 1 000 Summa 66 000 47 000 19 000 Besparingspotential gällande kostnader för markarbeten för 100 m standardschakt jämfört med grundare schakt. Possible cost savings for 100 m standard trench compared to shallower trench. Om man slutligen utgår ifrån att ett 100 m långt schakt på sin väg passerar fyra villatomter så kan besparingen per fastighet bli ca. 5000 kr. 6.2. Rördeformationer Den totala rördeformationen är med hänsyn till rörens funktion försumbar. Om man slår ihop de uppmätta deformationerna på ovan- och undersidorna uppgår den totala sammantryckningen till omkring 0,5 % av skumtjockleken efter ca. 4400 fordonsöverfarter, Bild 12. Deformationerna tillväxer med tiden. Detta är troligen en konsekvens av den upprepade belastningen som fordonsöverfarterna innebär. När trafikbelastningen upphör kryper deformationerna tillbaka något (som framgår av Bild 6). 23

Bild 12 Total rördeformation Total sammantryckning, % av skumtjocklek 0.8 0.6 0.4 0.2 Rör 1 (600 mm) Rör 2 (380 mm) Rör 3 (280 mm) Rör 4 (180 mm) 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Antal överfarter med tunga fordon Total rördeformation (summan av sammantryckningen på ovan- respektive undersidan) som funktion av antalet fordonsöverfarter. Total pipe deformation (the sum of the compression from above and below the service pipes) as a function of the number of vehicle passages. Deformationer i samma storleksordning har mätts upp i tidigare försök rapporterade i Molin med flera (1997). Rör av dimension DN 65/160 förlades i grovkornig kringfyllning i 0,6 m och 0,9 m läggningsdjup. Efter omkring 3000 överfarter med mycket tunga dumpertruckar (22 tons axeltryck) hade isoleringen tryckt samman omkring 0,3 mm. Bild 12 antyder att tillväxttakten avtar. Det är troligt att det sker över en logaritmisk tidsskala och att deformationerna aldrig kommer i närheten av kritiska nivåer. Irreversibla deformationer i PUR-skum uppstår inte förrän vid en deformation på i storleksordningen 10 %, jämför Bild 13. Bild 14 visar schematiskt hur deformationstillväxten sker i ett markförlagt plaströr (Molin & Elzink 1992, Janson 2003). Ett liknande förlopp kan förväntas även för fjärrvärmerören i Bild 12. 24

Bild 13 Mekaniska egenskaper hos PUR-skum 2.5 2 100 kg/m 3 Tryckspänning, MPa 1.5 1 80 kg/m 3 0.5 69 kg/m 3 0 0 20 40 60 80 100 Sammantryckning, % Kraft-deformationssamband vid rumstemperatur för PUR-skum med olika densiteter. Bild från Nilsson (2000). Minsta tillåtna densiteten hos skummet i rör enligt SS-EN 253 (2003) är 60 kg/m 3. Compressive stress vs. compression at room temperature of PUR foam of different densities. Picture from Nilsson (2000). The minimum density of foam in pipes according to EN 253 (2003) is 60 kg/m 3. Bild 14 Deformationsförlopp för markförlagt plaströr Principiellt deformationsförlopp för markförlagt plaströr. Trafikbelastning gör att sluttillståndet nås fortare. Bild från Janson (2003). Schematic deflection vs. time for buried plastics pipe. Due to traffic loads, the final state is reached faster. Picture from Janson (2003). I de här provade rören har medierören inte hållit drifttemperatur. I ett verkligt fall med hög temperatur kommer deformationerna att bli något större till följd av att PURskummet blir något flexiblare och kryphastigheten något högre. En noggrann analys av temperatureffekterna har inte kunnat göras inom ramen för projektet men en grovt konservativ skattning visar att det inte föreligger någon risk för allvarliga skador. En beräkningsmässig förutsättning vid dimensionering av fjärrvärmesystem enligt SS-EN 13941 (2003) med rör enligt SS-EN 253 (2003) är att PUR-skummets hållfasthet med 25

avseende på långtidshållfasthet vid 130 C drifttemperatur är 150 kpa, vilket är avsevärt högre än de tryckspänningar som föreligger här (se vidare på sidan 29). 6.3. Spårbildning i asfaltytan Djupet hos spåren i asfaltytan tycks i princip följa mäktigheten, eller djupet, hos den nylagda fyllningen. Detta är logiskt med tanke på att rören praktiskt taget inte deformeras alls och deformationerna således måste härröra från en kompaktering av fyllningsmaterialet. I referensområde 2 är den befintliga fyllningen orörd och deformationerna här torde därför huvudsakligen härröra från asfaltlagret. Asfaltlagret i sin tur bör deformeras lika mycket i samtliga spår. Bild 15 visar sättningen i fyllningen under antagandet att ca. 4,8 mm av den totala spårbildningen är en konsekvens av deformationer i asfaltlagret. Bild 15 Samband mellan sättning och mäktighet hos ny fyllning 16 Referens 1 Rör 1 Rör 3 12 Lutning: Ca. 3 % Sättning i fyllning, mm 8 Rör 2 4 Rör 4 0 Referens 2 0 200 400 600 Mäktighet hos ny fyllning, mm Samband mellan sättning i fyllning (total sättning minus uppskattad deformation av asfaltlagret) och mäktigheten hos den nya fyllningen. Bortsett från vid rör 3 är sambandet i stort proportionellt och motsvarar en kompaktering av fyllningen på ca. 3 %. Relation between settlements of backfill (total deformation minus estimated asphalt deformation) and depth of backfill. Aside from pipe no. 3 ( Rör 3 ), there is a proportionality implying a compaction of approximately 3 %. Om man antar att sättningen i nya fyllningen under asfalten är proportionell mot djupet kan det tecknas: δ = δ δ kh (1) s tot asf = Där δ s är sättningen hos fyllningen (mm), δ tot är det totala spårdjupet (mm), δ asf är deformationen i asfaltlagret (ca. 4,8 mm), H är mäktigheten hos den nya fyllningen mellan asfaltens underkant och rörhjässan (mm) och k är en proportionalitetskonstant. Av Bild 15 framgår att sambandet tycks stämma väl överens med en proportionalitetskonstant på ca. 3 %, vilket innebär att fyllningen kompakteras i medeltal omkring 3 %. Ett undantag är mätpunkten vid rör 3, som kompakterats ungefär dubbelt så mycket. Detta kan bero på att fyllningen här inte packats fullt så 26

bra som i övriga områden. Detta stöds också av resultaten från plattbelastningsförsöken, se Tabell 3. Vid rör 3 har bärigheten ökat avsevärt mer än vid övriga mätpunkter under försökens gång vilket antyder att fyllningen här packats ihop mer än på övriga ställen. 6.4. Styvhetsförhållande mellan rör och kringfyllning Hur stora krafter ett markförlagt rör tar upp beror på hur styvt det beter sig i förhållande till den omgivande fyllningen och om röret är lagt i grav eller bank, se till exempel Svenskt Vatten (2005). Beilke (1992) har på teoretiska grunder konkluderat att fjärrvärmerör i normalfallet kan betraktas som veka i relation till kringfyllningen. Detta är dock mindre uttalat för rör av små dimensioner och dessutom starkt beroende av vilka ansatser man gör beträffande modulvärden hos rör och jordmaterial. Det kan därför vara av intresse att studera vilka förhållanden som gäller hos rören i försöksfältet i föreliggande projekt. För att utvärdera rörets styvhet med avseende på en jordtrycksbelastning har en förenklad FEM-beräkning genomförts. Beräkningen har gjorts för ett dubbelrör 2 DN 32/160. Belastningen har utgjorts av ett vertikalt verkande jordtryck q b och ett vertikalt sidotryck q h = 0,3q b (Molin m.fl., 1997), Bild 16. En mer detaljerad beskrivning av beräkningsförutsättningarna återfinns i bilaga C. Bild 16 Lastmodell för FEM-beräkning Jordtryck mot rör. I FEM-beräkningen har antagits en upplagsvinkel α = 90. Bild från Molin m.fl. (1997). Earth pressure on pipe wall. In the FEM calculation, a bedding angle of α = 90 is assumed. Picture from Molin et al (1997). Resultaten från en beräkning där q b = 0,1 MPa visas i Bild 17. Belastningen verkar i huvudsak i vertikalled, och rörets hjässa trycks ned samtidigt som röret expanderar något i horisontalriktningen. Förskjutning av rörets hjässa nedåt är ca. 0,38 mm. På grund av symmetrin i beräkningsmodellen sker då motsvarande sammantryckning vid rörets botten. Ett mått på rörets styvhet i vertikalled s vert kan då definieras som: s = q vert 0,13 MPa/mm (2) δ Där q är jordtrycket på röret i vertikalriktningen (MPa) och δ är rörets totala sammantryckning (m). Det beräknade värdet 0,13 MPa/mm stämmer väl överens med tidigare genomförda mätningar, Bild 18. 27

Bild 17 Beräkningsresultat Beräknade förskjutningar I vertikalled (ovan) respektive horisontalled hos rör belastat enligt Bild 16 med q b = 0,1 MPa. Maximal sammantryckning av PUR-skummet mellan rörhjässan och medieröret uppgår till ca. 0,38 mm. Calculated vertical (above) and horizontal displacements in pipe loaded as in Bild 16 with q b = 0.1 MPa. The maximum foam compression between the medium pipe and the crown of the pipe is approximately 0.38 mm. Utgående från de mätningar som gjorts av rördeformationerna i det grundast förlagda röret under pågående plattbelastningsförsök (Bild 9) och styvhetsvärdet i (2) kan det vertikala trycket som verkar på röret under plattbelastningsförsöket bestämmas. Under sista laststeget är den totala rörsammantryckningen 0,14 mm (på ovansidan) plus 0,074 mm (på undersidan). Multiplicerat med s vert = 0,13 MPa/mm ger det ett vertikalt tryck på röret på ca. 0,028 MPa. Boussinesqs teori (se till exempel Hansbo, 1990) används ofta för att beskriva vertikal spridning av en last på markytan. Rakt under en cirkulärt fördelad ytlast med radien R gäller för djupet z 9 : 28 9 Uttrycket gäller egentligen för en homogen jord och tar inte hänsyn till asfaltlagrets egenskaper.

3 ( ) z σ z = q 1 (3) 2 2 2 R + z 3 Där q är den utbredda lastens storlek (MPa). Vid belastningen q = 0,5 MPa djupet z = 180 mm fås enligt (3) att det vertikala trycket på rörets nivå skulle vara ca. 0,3 MPa om röret inte fanns där. Detta skall jämföras med det faktiska trycket 0,028 MPa, vilket innebär att omkring 10 % av lasten bärs av röret och resterande del av fyllningsmaterialet genom valvverkan. Bild 18 PUR foam compression (δ F ), mm 1 0.8 0.6 0.4 0.2 Jordtryck och skumsammantryckning D: Medium E: Medium C: Loose A: Stiff B: Stiff 0.4 0 0 20 40 60 Displacement force (F), kn/m DN 80/200 DN 40/140 Nominellt jordtryck, MPa 0.3 0.2 0.1 0 Där ej annat anges belastas mantelröret mot en halvcylinder av betong med deformationshastigheten 5,4 % / minut 0 1 2 3 4 5 Sammantryckning av PUR-skum, % Mätningar från Nilsson (2000) (ovan) och Bergström & Nilsson (2001). Den övre figuren visar deformationer i PUR-skummet mot kraft per meter rörlängd hos ett DN 65/160-rör som förskjuts i sidled genom en sandfyllning. Loose, medium och stiff anger packningsgraden (och styvheten hos röret). Den undre visar jordtryck mot deformation hos rör som pressas mot en halvcirkulär betongkropp. De streckade röda linjerna visar motsvarande beräknat med dubbla styvhetsvärdet (2) ovan. Dubbla värdet används då båda mätningarna visar fall där kraften angriper i medieröret och endast skummet i framkant deformeras. Som synes är lutningen hos kurvorna i paritet med uppmätta samband mellan jordtryck och skumdeformation. Measurements from Nilsson (2000) (above) and Bergström & Nilsson (2001). The top diagram shows deformations in the PUR foam vs. force per meter pipe length in a DN 65/160 pipe displaced laterally through a sand filling. Loose, medium and stiff refers to the degree of compaction, and hence the stiffness, of the sand The bottom diagram shows earth pressure vs. foam deformation for pipes being pressed into semicircular concrete counter stays. The red dashed lines show the corresponding deformations according to 2 the stiffness value (2). The value is doubled since the measurements refer to cases where the force acts on the service pipe and only the foam in the front is deformed. The slope of the curves is in line with the measured relationship between earth pressure and foam deformation. 29