INSTITUTIONEN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNADSTEKNIK CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg 2022 www.chalmers.se Projektering av vägbro över Backavägen Framtagning och preliminär dimensionering av en samverkansbro Kandidatarbete inom Samhällsbyggnadsteknik JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN KANDIDATARBETE Projektering av vägbro över Backavägen Framtagning och preliminär dimensionering av en samverkansbro Kandidatarbete i Samhällsbyggnadsteknik JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN Institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA Göteborg 2022 I Projektering av vägbro över Backavägen Framtagning och preliminär dimensionering av en samverkansbro Kandidatarbete i Samhällsbyggnadsteknik JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN © JAKOB BRINKMANN, LUCAS HANSSON, SOFIA KLASSON, SIMON MAGNUSSON, HAYK SARGSYAN, NAREK SARGSYAN, 2022 Institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik Chalmers tekniska högskola, 2022 Chalmers tekniska högskola 412 96 Göteborg Sverige Telefon: + 46 (0)31-772 1000 Omslag: Modell av den framtagna samverkansbron. Institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik Göteborg 2022 I PROJEKTERING AV VÄGBRO ÖVER BACKAVÄGEN Framtagning och preliminär dimensionering av samverkansbron Kandidatarbete i Samhällsbyggnadsteknik JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN Institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik Chalmers tekniska högskola SAMMANFATTNING I rapporten presenteras en preliminär projektering av bron över Backavägen i Göteborg. Bron ska ansluta till nya Kvillemotet som är en del av ombyggnation av Lundbyleden. Under bron kommer Backavägen konstrueras med krav på en minsta fri höjd om 5,7 meter upp till underliggande kant på broöverbyggnaden. Kravet på fri höjd har präglat urvalet av brokoncept samt den preliminära dimensioneringsprocessen då konstruktionshöjden för överbyggnaden begränsats till 1,6 meter. Val av brokoncept har gjorts genom två olika urvalsprocesser. I första urvalsprocessen har många brotyper beaktats. De som ansetts vara mest lämpliga utifrån tekniska förutsättningar, däribland möjlig konstruktionshöjd, har gått vidare till nästa urvalsprocess. I andra urvalsprocessen har brokoncepten analyserats utifrån olika utvärderingskriterier för att urskilja fördelar och nackdelar. Urvalsprocess två visade att en samverkansbro med fyra I-balkar var den brotyp som ansågs vara det mest lämpliga brokonceptet. Efter urvalsprocesserna har en preliminär dimensionering av brokonceptet gjorts i bruks- och brottsgränstillstånd utifrån normer och krav från Trafikverket och Eurokoder. Den preliminära dimensioneringen utgick endast från Lastmodell 1 i SS- EN 1991-2. Den resulterande analysen av brokonceptet har påvisat att en samverkansbro md I- balkar är möjlig att uppföra vid den aktuella platsen. Dock behöver brodelarna optimeras för att minska materialåtgången och en grundligare analys av fler Lastmodeller i SS-EN 1991–2 hade behövt utföras för en mer komplett analys. Nyckelord: bro, brokoncept, Backavägen, kontinuerlig samverkansbro med I-balkar, preliminär dimensionering, kandidatarbete brobyggnad, broprojektering II Bridge design of a road bridge over Backavägen Development and preliminary dimensioning of a composite bridge Bachelor’s thesis in Civil Engineering JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN Department of Architecture and Civil Engineering Chalmers University of Technology ABSTRACT This report is about the preliminary state of bridge construction. The bridge design is highly dependable of the geographic location where the bridge is supposed to be located. This bridge will be built in Backaplan, Gothenburg, and it will be a part of the connection to Lundbyleden. Due to specific requirements of the under passage of the bridge the construction hight of the superstructure is limited to 1.6 meters. Limiting the construction hight has shown to be a critical aspect when choosing the most compatible bridge concept. The selection of a suitable bridge concept has been done in two selections. In the first one, many different types of bridges are being evaluated. The ones that suit the requirements continued to the next selection phase. In this phase the bridge concepts were ones again evaluated, but from different kinds of criteria that would set the concepts apart. The analysis shows that the most suitable bridge concept for Backaplan is a composite bridge with steam beams and a concrete slab. The preliminary calculations of the bridge shows that it would be possible to construct a composite bridge with steel beams in the given location although the calculations are only based on LM1 in SS-EN-1991-2. The finale bridge presented in this report is not optimised and a more thorough analysis can be made to achieve a more material efficient design. Key words: bridge, bridge concept, Backavagen, continuous composite bridge with steel beams, preliminary dimensioning, bachelor’s thesis bridge engineering, bridge design CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete III Innehållsförteckning 1 INLEDNING 1 1.1 Bakgrund 1 1.2 Syfte och målformulering 2 1.3 Avgränsningar 2 1.4 Metod 2 1.5 Samhälleliga och etiska aspekter 3 2 FÖRUTSÄTTNINGAR OCH KRAV FÖR BROKONSTRUKTION VID BACKAVÄGEN 4 2.1 Relevanta tekniska krav och råd från Trafikverket 4 2.2 Givna förutsättningar från planer och ritningar 4 2.3 Topografi och grundläggning 5 2.4 Sociala förväntningar 5 3 KONSTRUKTIONSMATERIAL FÖR BROBYGGNAD 6 3.1 Stål 6 3.2 Betong 6 3.3 Trä 7 4 OLIKA TYPER AV BROKONSTRUKTIONER 8 4.1 Plattbro 8 4.2 Bågbro 8 4.3 Snedkabelbro 8 4.4 Hängbro 8 4.5 Fackverksbro 9 4.6 Samverkansbro 9 4.7 Balkbro 9 5 BROPROJEKTERING UR ETT HÅLLBARHETSPERSPEKTIV 10 5.1 Ekologisk hållbarhet 10 5.2 Ekonomisk hållbarhet 10 5.3 Social hållbarhet 11 6 URVALSPROCESS 1 12 CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete IV 7 UTVÄRDERINGSKRITERIER FÖR URVALSPROCESS 2 13 8 URVALSPROCESS 2 14 8.1 Analys av bågbro med överliggande båge i stål 14 8.2 Analys av fackverksbro med överliggande fackverk i stål 15 8.3 Analys av samverkansbro med I-balkar i stål 16 8.4 Analys av spännarmerad balkbro i betong 17 8.5 Analys av spännarmerad plattbro i betong 18 8.6 Viktning av utvärderingskriterier 18 8.7 Bedömning av brokoncept utifrån utvärderingskriterierna 19 9 ANALYS OCH VAL AV LANDFÄSTEN OCH MITTSTÖD 20 9.1 Landfäste med vingmur, frontmur och lager 20 9.2 Landfäste med vingmur och ändskärm hopgjuten med brofarbanan 20 9.3 Landfäste med stödmur, frontmur och lager 21 9.4 Val av övergångskonstruktion 21 9.5 Utformning av mittstöd 21 10 BESKRIVNING AV VALT BROKONCEPT 22 10.1 Riskanalys av brukstadiet 22 10.2 Produktion av samverkansbron över Backavägen 22 10.3 Underhåll och förvaltning 23 11 SYSTEMMODELL OCH LASTER 24 12 PRELIMINÄR DIMENSIONERING 25 12.1 Dimensionerat betongtvärsnitt i tvärled 25 12.2 Dimensionerat tvärsnitt i längdled 26 12.3 Detaljutforming av studs 27 12.4 Svetsar för I-balk 28 12.5 Utformning av mittstöd och lager 28 13 DISKUSSION 29 14 SLUTSATS 30 REFERENSER 31 CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete V BILAGOR Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI Bilaga B, Preliminär dimensionering Bilaga C, Matlabscript Bilaga D, Utdrag ur GeoPM2: Underlag från COWI CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete VI CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete VII Förord Vi i kandidatgruppen vill ta tillfället i akt och tacka alla som har hjälpt oss genom detta kandidatarbete. Ett stort tack till vår handledare Mario Plos på Chalmers och Staffan Lindén med kollegor på COWI som har väglett oss genom arbetets gång. Vi vill även tacka Joosef Leppänen och Ignasi Fernandez som varit till stor hjälp med att besvara frågor om dimensioneringsprocessen av bron. Slutligen vill vi tacka Tabita Nilsson och Peter Lindblom i A-verkstaden för hjälp och vägledning under arbetet med modellbygget. Göteborg 2022 JAKOB BRINKMANN LUCAS HANSSON SOFIA KLASSON SIMON MAGNUSSON HAYK SARGSYAN NAREK SARGSYAN CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete VIII Ordlista Anisotropt material Material som uppvisar olika egenskaper i olika riktningar. Efterspänning Armeringsstålet i betongen spänns efter att betongen har härdat från gjutning. Fast lager Horisontella krafter upptas genom detta brolager. Frostsprängning Skador på betong som uppstår av att vatten samlas i betongens porer då vattnet fryser expanderar vattnet och spränger bort delar av betongen. Förespänning Armeringsstålet spänns innan gjutningen påbörjas. Förspänd betong Betongen är förspänd med antingen förespänning eller. efterspänning. GC-bana Gång- och cykelbana. Halssvets Svets mellan liv och fläns. Lager Komponenten mellan stöd och bärverk. Landfäste Underbyggnad av bro som fungerar som ändstöd. Lansering Långsam utskjutning av bron från ett landfäste. Lanseringsnos En uppåtriktad konstruktion som placeras på den. änden av bron som lanseras för att bron ska glida upp på stöden. LCA Livscykelanalys (Life cycle assessment). LCC Livscykelkostnad (Life cycle cost). LM1 Lastmodell 1 Livslängdsklass En konstruktions avsedda livslängd. Pylon Bärande bropelare där snedkablar eller hänglinor fästs. Skivstöd Stöd som har en lång utbredning horisontellt. Spännarmerad Om betongen är förspänd är den spännarmerad. SLS Bruksgränstillstånd (Serviceability limit state). Studs Bultar (skjuvförbindare) som svetsas på stålbalken och gjuts in i betongplattan för att skapa samverkan mellan stålet och betongen. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete IX Stumsvets Sammanfogad svets mellan två plåtar i stål. Teknisk livslängd Avser den tidsperiod som en bro kan uppfylla sin funktion. Täckande betongskikt Tjocklek på betong som skyddar armering från omgivande miljö. ULS Brottgränstillstånd (Ultimate limit state). CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 1 1 Inledning Broar är en viktig del i samhällets infrastruktur och används för att möjliggöra passage över hinder. Det finns många olika typer av broar som har olika egenskaper och verkningssätt. Broprojektering är en process som ska ta fram det brokoncept som passar bäst utifrån givna förutsättningar och beställarens intressen. I denna rapport analyseras vilken brotyp som är mest lämplig vid passagen över Backavägen i Göteborg. På det valda brokonceptet utförs även en preliminär dimensionering. 1.1 Bakgrund Backavägsbron är planerad att ligga i östra delen av Backaplan cirka 2 km från Göteborgs centrum. Idag är området ett industri- och handelsområde. De kommande 20 åren kommer det ske en omfattande utveckling av området. Blandstad ska byggas med 140 000 kvm handel, 7500 bostäder och service (Göteborgs Stad, 2019). Bron ska ligga i den nordöstra utkanten av planområdet se Figur 1. Figur 1 Kartvy över området för den tilltänkta bron, © OpenStreetMaps bidragsgivare, https://www.openstreetmap.org/copyright. Backavägsbron är en del av ombyggnationen av Lundbyleden mellan Brantingsmotet och Ringömotet. Brunnsbomotet kommer att rivas och ersättas med Kvillemotet (Göteborgs Stad, 2019). Målet med ombyggnationen är att anpassa Lundbyleden till framtidens krav och behov. Bron är planerad att ansluta till Kvillemotet, se Figur 1 i Bilaga A. Brons syfte är att leda trafiken till och från Lundbyleden, över Backavägen (Trafikverket, 2021). https://www.openstreetmap.org/copyright CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 2 1.2 Syfte och målformulering Syftet med uppsatsen är att presentera ett broförslag med en preliminär dimensionering för den tilltänkta vägbron som ska gå över Backavägen. Arbetet delas upp i följande delsteg med delmål: Urvalsprocess 1 – Målet syftar till att utifrån planbeskrivningar, tekniska förutsättningar samt olika brotypers utformning välja bort de brokoncept som är irrelevanta att fortsätta utveckla. Urvalsprocess 2 – Målet syftar till att göra så kvalitativa analyser av de brokoncept som ansågs vara relevanta i urvalsprocess 1. Detta genom att dela upp gruppen i tre fokusområden som beställare/konstruktions-ansvarig, produktions-ansvarig samt den tredje gruppen som ansvarade för aspekterna förvaltning och underhåll. Preliminär dimensionering – Målet syftar till att göra beräkningar utifrån förkunskaper inom konstruktion för att erhålla ett så komplett broförslag som möjligt. 1.3 Avgränsningar Broprojekteringen utförs med vissa avgränsningar för att anpassa arbetsprocessen till rapportens omfattning och nuvarande kunskapsnivå. Följande avgränsningar görs: - Grundläggningsmetoder behandlas i begränsad utsträckning. - Mindre vikt läggs vid ekonomiska förutsättningar. - Materialval begränsas till de tre vanligaste materialen betong, stål och trä. - Ingen LCA- och LCC-analys utförs. - Den preliminära dimensioneringen utifrån LM1 i SS-EN 1991-2 1.4 Metod Projektarbetet har huvudsakligen uppdelats i två olika faser. I den första fasen har fokus lagts på att ta fram ett lämpligt brokoncept utifrån krav, förhållanden och förutsättningar som råder i planområdet. För att åstadkomma detta har inledningsvis relevanta mål formulerats och information om olika brotyper och dess projekteringsprocesser inhämtats från relevanta handböcker och föreskrifter från Trafikverket. Genom en första urvalsprocess har ett flertal möjliga brokoncept framtagits. Därefter har de framtagna koncepten studerats mer noggrant för fortsatt urvalsprocess. Utvärderingskriterier definierades i syfte att utvärdera och jämföra de olika koncepten vilka framtogs utifrån tre olika fokusområden, beställare och konstruktion, produktion och underhåll och förvaltning. Kriterierna utgjordes av olika aspekter, exempelvis underhållsbehov och produktionsmetod som gruppen har ansett vara relevanta i urvalsprocessen. I en andra urvalsprocess har de alternativa brokoncepten viktats utifrån de framtagna utvärderingskriterierna. Med utgångspunkt i gruppens målsättning har aspekterna i viktningen fått olika prioritet. Urvalet har därefter resulterat i ett slutligt brokoncept som bäst återspeglar projektets målbild. Slutligen har förstudien avslutats genom framtagning av en systemmodell som har varit grunden för den andra fasen. I den andra delen av projektarbetet har en preliminär dimensionering av det valda brokonceptet genomförts. Dimensioneringen har till exempel involverat skildring av CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 3 modellens bärande system och dess randvillkor samt utarbetning av laster och lastkombinationer. En riskanalys har gjorts samt val av stödkonstruktioner och beskrivning av produktionsmetod har utförts på det slutgiltiga brokonceptet. De beräkningarna som innehåller bestämning av snittkrafter och kritiska punkter har genomförts i datorprogrammet MATLAB med finita element-tillägget CALFEM. Konstruktionsberäkningarna har baserats på eurokoder, normer och krav från myndigheter som Trafikverket. Som ett sista steg i denna fas har rimligheten av brokonceptet analyserats och modifieringar gjorts. Avslutningsvis har projektet färdigställts genom visualisering och modellbyggande av det framtagna brokonceptet. Valet av denna metodik har dels baserats på rekommenderat arbetsgång från handledare, dels överenskommelse i projektgruppen om hur arbetet på ett smidigt och systematiskt sätt kan genomföras. Med detta tillvägagångsätt har arbetet succesivt kunnat fortskrida och underlättat utvecklandet av det valda brokonceptet. 1.5 Samhälleliga och etiska aspekter Byggandet av en ny vägbro över Backavägen medför både samhälleliga och etiska konsekvenser. Brons byggnation möjliggör dels bättre förutsättningar för att orientera trafiken på Lundbyleden, dels en ökning av trafikkapaciteten (Trafikverket, 2017). Den slutliga utformningen kan därför innebära bättre sammankoppling mellan områdets olika delar. Det förekommer inte några höga naturvärden i planområdet och således medför projektet inte direkta inskränkningar på naturen. För samhällets del innebär byggskedets olika moment såsom pålning risk för störningar i form av vibrationer och buller (Trafikverket, 2017). Detta kan upplevas obehagligt för de bosatta och trafikanterna i närområdet och därför måste lämpliga åtgärder vidtas för att förebygga detta. Produktionen kan också medföra omledning eller tillfällig avstängning av trafik vilket kan försvåra framkomligheten och rörelsemöjligheterna i området. Byggandet av bron ger en ökning av trafikkapaciteten och därmed även en ökning av trafikflödet vilket leder till en sämre närmiljö för de boende i området med avseende på buller och luftkvalitet. Ett möjligt alternativ hade varit en bro med enbart ett körfält i varje riktning. Det hade gett minskade störningar av trafik för de boende i området men med en minskad framkomlighet som följd. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 4 2 Förutsättningar och krav för brokonstruktion vid Backavägen Förutsättningarna för brokonstruktioner är alltid beroende av området där broarna ska uppföras. Tillsammans med krav och riktlinjer från Trafikverket kan förutsättningarna användas för att i ett tidigt skede utesluta brokoncept som inte är lämpliga för området. I följande avsnitt beskrivs de förutsättningar och krav som påverkar valet av brotyp. 2.1 Relevanta tekniska krav och råd från Trafikverket En bro dimensioneras med en teknisk livslängd på 40, 80 eller 120 år med avseende på underhållskrav, möjligheter till ombyggnation och inspektion (Trafikverket, 2019). Järnvägar dimensioneras specifikt för en teknisk livslängd på 120 år medan den tekniska livslängden för en vägbro i urban miljö bör minst vara 80 år. Brokonstruktioner med avseende för bil, gång och cykeltrafik får ha en maximal nedböjning på 4 ‰ av den teoretiska spännvidden samt maximal uppböjning om 5 mm vid brostöden (Trafikverket, 2019). Specifikt för betong är att långtidsscenariot för krypning med RH = 80% ska beaktas vid dimensionering. Brodesignen ska vara så materialeffektiv som möjligt, förhållandet mellan mängd material och konstruktions funktion ska vara avvägda (Trafikverket, 2022b). Kravet på fri höjd för en gång och cykelbana som går under annan infrastruktur är 2,5 meter. 2.2 Givna förutsättningar från planer och ritningar Bron kommer att gå längs med Bohusbanan vilken planeras att byggas ut med en dubbelspårig järnvägsbro som går över Backavägen. Under bron planeras nya gång- och cykelbanor. Backavägen som är tänkt att utformas med två körfält i varje riktning kommer att sänkas. Den underliggande vägen ska ha en fri höjd på minst 5,7 meter. Cykel- och gångvägen på vardera sida om Backavägen bör också förses med en fri höjd som uppfyller kraven i Kapitel 2.1. Den kritiska höjden för överbyggnationen är placerad i den nordvästra delen av underfarten och den kritiska höjden för gång och cykelbana är i den sydvästra delen av underfarten. Den lägsta höjden mellan underfarten och toppen av brobanan är 7,3 meter samt 5,2 meter för gång- och cykelbanan. Höjderna är framtagna med mätningar i planritningarna och höjdprofilerna, se Figurerna 2–6 i Bilaga A. Då den fria höjden för gång- och cykelbanor minst ska uppgå till 2,5 meter kan en maximal brotjocklek antas vara 2,7 meter. För körfälten under bron, med en minimal fri höjd om 5,7, meter kan en maximal konstruktionshöjd för bron antas vara 1,6 meter. Konstruktionshöjden 1,6 meter blir därmed dimensionerande. Utifrån planritningarna kan brostöden placeras någonstans inom konstruktionens längd om 134,7 meter, se Figur 2 i Bilaga A. De mest materialeffektiva stödpositionerna är i anslutning till gång- och cykelbanorna då brobanan får en så liten spännvidd som möjligt. Alternativt kan ett mittstöd placeras i mitten av underfarten mellan körfälten. Den totala spännvidden blir då ungefär 60 meter där varje spann utgör hälften av den totala spännvidden. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 5 Under brons byggskede och när markarbetet för att sänka Backavägen ska genomföras finns möjlighet att utnyttja det befintliga vägnätet för att leda om befintlig trafik utan att det ger allt för stora trafikstörningar. Det finns utrymme att etablera en avgränsad byggarbetsplats på vardera sidor om brons ändstöd. 2.3 Topografi och grundläggning Markytans nivå i området varierar mellan +1.5 och +5 meter, se Bilaga D. Jordlagren i området består överst av fyllnadsmaterial, 0,5–4,5 meter, och därefter lera. Djupet till berg varierar mellan 4 och 71 meter. På grund av jordlagerföljden måste grundläggning i form av pålning utföras då det finns risk att leran konsoliderar. 2.4 Sociala förväntningar Valet av brotyp påverkas av sociala förväntningar. Bron måste passa in i det sociala sammanhanget, samtidigt som den uppfyller de tekniska kraven. Dessa sociala förväntningar kan till exempel vara brons utseende samt hur den uppfattas av de som befinner sig kring bron. I området finns det handel och det förväntas byggas bostäder under brons livstid. Användningen av området kring bron talar för en diskret utformning av bron, som har som huvuduppgift att uppfylla behovet och de tekniska kraven. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 6 3 Konstruktionsmaterial för brobyggnad I detta avsnitt beskrivs de tre vanligaste byggnadsmaterialen, stål, betong och trä. Dessa material används i stor utsträckning inom brobyggnad. De olika materialen medför olika verkningssätt för konstruktionerna. 3.1 Stål Kännetecknande för stål är dess höga hållfasthet i både tryck och drag, vilket möjliggör att stålbroar kan utformas med både långa spännvidder och slanka dimensioner (BE Group, 2016). Stålbrons lätta egenvikt, i jämförelse med en betongbro, medför att grundläggningen blir enklare eftersom det utövade marktrycket blir mindre. Därutöver är det vanligt förekommande att stål kombineras med betong för att erhålla ett brokoncept där båda materialen samverkar i omhändertagandet av laster. Generellt sett har materialet en lång teknisk livslängd och är mycket beständigt då det inte påverkas av långtidseffekter som krypning och krympning. Däremot är stål korrosionsbenäget och därför fordras olika ytbehandlingar och inspektioner vars syfte att förebygga detta (BE Group, 2016). Vidare är utmattning ett annat aktuellt fenomen som resulterar i att materialet successivt bryts ned och bärförmågan försämras. En fördel med stålkonstruktioner är att de smidigt kan demonteras och återvinnas (BE Group, 2016). En annan fördel med konstruktionselement i stål är att de kan tillverkas i fabrik för att sedan levereras till byggplatsen för montering. Detta resulterar i en kortare byggtid på arbetsplatsen då entreprenörernas platsarbete minimeras vilket även kan reducera produktionskostnaderna för konstruktionen. 3.2 Betong Betong karaktäriseras av en hög tryckhållfasthet och en låg draghållfasthet (Al-Emrani et al., 2013). Draghållfastheten motsvarar cirka 10% av tryckhållfastheten. I konstruktions- sammanhang läggs armering i betongens dragzon för att öka dragkraftskapaciteten och förhindra växandet av sprickor som uppkommer. Vad gäller broar förekommer det lösningar som är baserade på förspänd betong. Med denna utformning senareläggs balkens sprickbildning. Trots att betong är ett beständigt material kan korrosion av armeringen i armerad betong uppstå. Som följd av korrosion kan konstruktionen få en minskad bärande kapacitet. De bakomliggande orsakerna till korrosion är kloridinträngning och karbonatisering (Svensson, 2002). Graden av exponering för klorider och karbonater är direkt kopplad till miljön där konstruktionen uppförs. Frostsprängning är en annan företeelse som bryter ner materialet. Följaktligen behövs olika former av ingripanden för att skydda betongen. Exempelvis behöver täckskiktens mått vara tillräckliga för att klara miljöförhållandena vid konstruktionens position för att skydda armeringen från korrosion. I betong utvecklas även långtidseffekterna krypning och krympning vilket måste beaktas vid dimensioneringen. I en förspänd konstruktion leder krympningen till minskad spänning i spännlinorna. Långtidseffekterna bidrar således till en ökad sprickbildning över tid. Detta måste beaktas under dimensioneringsprocessen för att försäkra konstruktionens bärande kapacitet under hela dess livslängd. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 7 Eftersom materialet kan formas på många olika sätt och dessutom har hög hållfasthet i tryck kan betongbroar byggas med långa spännvidder, vilket är estetiskt tilltalande. Betong har likt stål en lång livslängd och därmed bra förutsättningar för att kunna uppfylla kraven för teknisk livslängd på brobyggnationer, framtagna av Trafikverket (Betongföreningen, 2013). Vid produktion av broar i Sverige gjuts vanligtvis konstruktionsdelar i betong på plats. Cementtillverkning, som utgör en process i betongtillverkningen står för det mesta av processens koldioxidutsläpp (Tinnerstedt & Winsnes Sunnemark, 2020). Ur ett livscykelperspektiv kan dock den negativa miljöpåverkan till viss del kompenseras tack vare betongens förmåga att binda koldioxid. Betong kan även återvinnas som fyllnadsmaterial vilket är gynnsamt både för miljön och ekonomin. 3.3 Trä Trä är ett anisotropt material och har förhållandevis hög hållfasthet i förhållande till sin låga egenvikt (Al-Emrani et al., 2013). Högst och lägst hållfasthet erhålls vid dragning parallellt respektive vinkelrätt av fibrerna. Byggtiden för broar i trä är vanligtvis kort på grund av att de flesta konstruktionselement behandlas och färdigställs i fabrik, för att sedan monteras på byggplatsen (Hussein et al., 2011). Träbroar lämpar sig mycket bra för gång- och cykelbroar med längre spännvidder då trafiklasten är liten i jämförelse med exempelvis väg- och järnvägsbroar (Lundström, 2005). Materialet är organiskt och kan utsättas för flera kapacitetsnedsättande processer. Exempel på sådana är röta och insektsangrepp. Vilka kan förkorta livslängden för träkonstruktioner (Abelsson et al., 1998). Genom utformning med hänsynstagande till träets beteende kombinerat med ordentligt utfört underhåll kan en längre livslängd uppnås. Miljöpåverkan är en aspekt som urskiljer träkonstruktioner från betong- och stålkonstruktioner. Trä är precis som stål och betong ett återvinningsbart material. Materialet ingår även i ett naturligt kretslopp vilket medför att broar byggda av trä ger upphov till en mindre miljöpåverkan under sin livscykel än vad betong- och stålbroar gör (Abelsson et al., 1998). En av fördelarna med trä som konstruktionsmaterial är dess lätta vikt. Med ett lättare material minskar energiåtgången under transport. Däremot har trä en lägre E-modul vilket ökar materialåtgången. För att skydda bärande träkonstruktioner är det viktigt att träet inte utsätts för direkt vatten såsom regn samt ges möjlighet att torka ut. Är konstruktionen utsatt för fukt under en längre tid, finns det risk för röta. Slutligen är trä likt betongen påverkad av krypning vilket måste beaktas vid dimensioneringen av det utvalda brokonceptet. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 8 4 Olika typer av brokonstruktioner I detta avsnitt beskrivs de vanligaste brotyperna som anses vara relevanta för aktuellt broläge. Brotyperna indelas i olika grupper beroende på deras verkningssätt och användningsområde. 4.1 Plattbro Plattbron har en överbyggnad bestående av en betongplatta som utgör huvudbärverket (Trafikverket, 2014). Vid betongkonstruktioner kan plattan var slak- eller spännarmerad. Är den slakarmerad kan spännvidder upp mot 25 meter uppnås medan en spännarmerad platta för vägtrafik uppnå spännvidder mot 35 meter. Är den spännarmerade betongplattan kontinuerlig över mittstöd kan spännvidden uppgå till 25 meter (Brosamverkan, 2022). Används trä i stället för betong kan spännvidder på cirka 17 meter erhållas. Är bron fritt upplagd är den utförd i ett spann och upplagd på ändstöd medan i en kontinuerlig bro vilar bärverket på änd- och mittstöd. Gestaltningen av änd- och mittstöd utförs som pelare eller skivor. 4.2 Bågbro Bågbroar består av bågar som är sammankopplade med tvärbalkar. Vägbanan är förbunden med bågarna via vertikala stänger eller linor (Trafikverket, 2014). Vägbanan kan vara överliggande, underliggande eller mellanliggande. Detta innebär att bärverket placeras över eller under vägbanan, vilket gör att bron i viss mån kan anpassas till befintliga förhållanden. Stängerna eller linorna överför brolasterna till bågen genom tryck- eller dragkrafter där bågens geometri gör att bågen kommer leda lasterna till stöden. Möjliga spännvidder för en bågbro är mellan 50–260 meter (Trafikverket, 2014). Finns det möjlighet att minska spännvidden med ett stöd kan flera bågar sammankopplas, där varje båge har en spännvidd på upp till cirka 100 meter. Bågbroar kan bestå av trä, stål eller armerad betong. Bågbroar byggs idag ofta av estetiska skäl (Trafikverket, 2022a). 4.3 Snedkabelbro Det som kännetecknar denna brotyp är dess lämplighet i förhållanden där större spännvidder krävs (Trafikverket, 2014). Erfordrande av stora spännvidder kan vara kopplade till krav från underliggande farled eller grundläggningsförhållanden. Dessa broar är oftast utformade i tre spann och aktuella för spännvidder från omkring 100 meter. Huvudbärverket består av snedkablar, avstyvningsbalkar och pylontorn. System bygger på att brobanan är upphängd i kablar vilka är förankrade i pylonerna (Trafikverket, 2014). Krafterna som uppstår på grund av lasterna som verkar på bron omhändertas av snedkablarna genom rena dragkrafter. Krafterna förs upp till pylonerna, som blir utsatta för tryckkrafter, där de förs ned i marken. Optimala höjder för pylonerna motsvarar storleksordningen cirka 25% av spännvidden (Brosamverkan, 2022). Pylonerna är vanligtvis gjorda av betong men varianter av stål i mindre broar förekommer. 4.4 Hängbro Denna brotyp är lämplig för spännvidder upp mot 2000 meter (Trafikverket, 2014). Dess storskaliga utformning kan bidra till en vacker gestaltning. Hängbrons verkningssätt bygger på att brobanan hängs upp i vertikala kablar som är förankrade i två huvudkablar. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 9 Huvudkablarna som bär brobanan löper över tornen och förankras i brons ankare. Ankarna utgörs antingen av betonglandfästen eller bergrum. Gällande lastöverföringen kan de vertikala hängarna tillsammans med huvudkablarna endast överföra dragkrafter medan pylonerna är de som medverkar i trycköverföringen (Trafikverket, 2014). De optimala pylonhöjderna brukar motsvara cirka 10–15% av det största spannets spännvidd. Stål och betong är de vanliga material för brobanan och pylonerna. 4.5 Fackverksbro Fackverksbroar är mest lämpliga för järnvägstrafik (Trafikverket, 2014). De kan konstrueras i ett eller flera spann där de kopplas samman med exempelvis skruvförband. Som namnet antyder utgörs brons huvudbärverk av fackverksbalkar vilka är uppbyggda av stänger eller balkar. Fackverksbalken som omfattas av en under- och överarmstång är sammankopplad genom diagonala och vertikala stänger. Stångverkan är det dominerande verkningssättet hos denna brotyp vilket innebär att stängerna överför normalkrafter i drag eller tryck. Fackverkets överbyggnad har låg egenvikt och byggs därför främst med en minsta höjd på 5– 10 meter över körbanan (Glans & Ronnebrant, 1996). För vägtrafik kan broarna gjorda av stål uppnå spännvidder 50–100 meter och ca 30 meter med trä som material. Dock medför stålfackverksbroar högre kostnader för underhåll och av denna anledning är de inte vanligt förekommande som permanenta konstruktioner. 4.6 Samverkansbro Gemensamt för samverkansbroar är att de är uppbyggda av två huvudkomponenter och förekommer i olika varianter. Samverkansbroar är lämpliga vid exempelvis passager över vattendrag samt när de rådande grundförhållandena är dåliga. Principen bygger på att ett material som är dragtåligt placeras i underkant och ett som är trycktåligt placeras i överkant. Materialens egenskaper medför en materialeffektiv utformning i brospannens fält med avseende på spänningar som uppkommer på grund av momentet. En samverkansbro med I-balkar är uppbyggd av en vägbana i betong som vilar på stålbalkar. Lastöverföringen och samverkan mellan dessa sker med hjälp av så kallade studs. Dessa är bultar som svetsas ihop med balkarnas överflänsar (Trafikverket, 2014). En annan variant är samverkansbro med lådbalk. Då vridstyvheten för lådkonstruktionen är stor är det en optimal lösning om bron har en kurva (Brosamverkan, 2022). Av inspektionsskäl är kravet på den minsta fria höjden i lådbalkar 1,5 meter för konstruktioner under 50 meter och 1,9 meter för konstruktioner över 50 meter (Trafikverket, 2019). 4.7 Balkbro Primärbärverket i en balkbro utgörs av en eller flera balkar i brons längsgående riktning. Används flera balkar sammankopplas dessa med hjälp av tvärbalkar. Huvudbalkarna kan utgöras av alla de tre konstruktionsmaterialen som benämns i Kapitel 3 men vanligast är balkar i stål eller betong (Brosamverkan, 2022). Farbanan placeras ovanpå eller mellan balkarna. Den enklaste balkbron kräver två stöd, ett i vardera änden av bron. Vid längre spännvidder behöver ändstöden kompletteras med vertikala pelare utmed bron. En balkbro används främst för broar mes spännvidder från 18 meter och uppåt (Ronnebrant & Glans, 1996). CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 10 5 Broprojektering ur ett hållbarhetsperspektiv I tidigt stadie i broprojektering är det svårt att ur ett hållbarhetsperspektiv jämföra olika broar utifrån ekologisk, social och ekonomisk hållbarhet. LCA- och LCC-analyser beror på flertalet olika faktorer vilket gör att exempelvis samma bro kan ha varierande utsläpp och kostnad beroende på var och hur den produceras (Crenna et al., 2019). Däremot kan aspekterna beaktas till viss mån genom reflektioner och grundidéer trots att ingen ingående kvalitativ jämförelse av brotyperna kan utföras. 5.1 Ekologisk hållbarhet Valet av broutformning och materialval har en tydlig inverkan på brons klimatpåverkan. Där en minskad materialåtgång reduceras klimatpåverkan. För en korrekt analys krävs en jämförelse av hela livscykeln, då utsläppen av växthusgaser sker under olika delar av olika broars livscykel. Ett tydligt exempel på detta är konstruktionsmaterialen trä och betong. Den största delen av utsläppet av CO2-emissioner sker under rivningen för en träkonstruktion och under produktionsstadiet för en konstruktion av betong (Westbom & Lundgren, 2018). Generellt utgör materialet samt underhållsåtgärder de största delarna av konstruktionernas inverkan på klimatet (Pousette et al., 2014). Idag finns det resurser för att reducera klimatpåverkan genom skillnader i framställningen av materialen. Genom att använda alternativa bindemedel såsom slagg och flygaska går det i dagsläget att ersätta upp till 35 - 65 % av cementet i betong beroende på konstruktionsdel (Svensk Betong, 2021). Forskning sker även på konstruktionsmaterialet stål. Bildandet av Joint Venture-bolaget HYBRIT är ett sådant initiativ med målet att göra stål fossilfritt (Vattenfall, 2022), genom att ersätta kokskolet i stålframställningen mot väte tillverkat av fossilfri el. Detta gör att samma brotyp kan skilja i klimatpåverkan beroende på vart materialet är köpt (Crenna et al., 2019). Även utsläpp för transport har en påverkan på klimatet, vilket gör att materialet med det lägsta utsläppet av CO2-emissionerna ur en produktionsaspekt inte alltid är det mest klimatsmarta. Det finns ytterligare faktorer som spelar in vid avgörandet av vilket material eller vilken utformning som har den lägsta inverkan på miljön, till exempel livslängd och möjlighet till återanvändning av material. För att göra en konsekvent och korrekt analys krävs därför en utvärdering av alla bidragande aspekter. 5.2 Ekonomisk hållbarhet Vid analys av brons ekonomiska hållbarhet är det viktigt att ta hela brons livscykelkostnad i beaktande. En bro med låg investeringskostnad är inte nödvändigtvis det bästa alternativet ur ett ekonomiskt perspektiv då den skulle kunna medföra höga underhållskostnader. Gestaltningen av bron har stor inverkan på materialåtgången och således även investeringskostnaden. Exempelvis vid jämförelse av två balkbroar där den ena bron har tre stöd och den andra har två, påverkas balkarnas konstruktionshöjd (Trafikverket, 2022a). Spännvidderna dikterar således materialåtgången för bärverket, där överbyggnaden för bron med tre stöd kan konstrueras med mindre material men samtidigt behöver tre stöd i stället för två. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 11 Underhållskostnaderna är kopplade till underhållsbehovet som främst beror på materialvalet samt brons utformning. Har bron en komplexare utformning uppstår fler kritiska punkter som måste underhållas och inspekteras (Trafikverket, 2014). Exempelvis konstrueras fackverksbron i trä eller stål och utformningen är komplexare jämfört med en plattbro i betong, se Kapitel 4. Resultatet blir att fackverksbron får högre underhållskostnader än plattramsbron (Trafikverket, 2014). I samråd med handledare från COWI har schablonmässiga värden för att uppskatta investeringskostnaden erhållits för broprojektering i ett tidigt stadium, se Tabell 1 (Staffan Lindén, personlig kommunikation, 2022-02-23). Tabell 1 Schablonmässiga investeringskostnader för olika brotyper. Brotyp Schablonvärde [kr/m2] Bågbro 45 000 Fackverksbro, överliggande båge 50 000 Spännarmerad bro 40 000 Samverkansbro 40 000 Lindén nämnde även att investeringskostnaden för ett byggprojekt är svårt att fastslå i ett tidigt stadium då det inte finns några globala standardpriser för att bestämma produktionskostnaden, materialåtgången beror på utformningen av bron samt att byggtiden kan variera utifrån produktionsmetoder. 5.3 Social hållbarhet Projekteringen och utformningen av bron kan påverka hur trivsam och trygg bron upplevs. Har bron ett underliggande bärverk minskas den fria höjden under bron för så väl vägtrafik som för gång- och cykeltrafik jämfört med en bro med överliggande bärverk. Inskränkningen på den fria höjden kan bidra till att underpassagen upplevs trång (Trafikverket, 2022a). Även det fria utrymmet runt väg och GC-bana påverkar trivsamhetskänslan. Placeras stöden längre ifrån körbanan eller GC-banan kan underpassagen upplevas som luftigare och bron blir således mer behaglig att passera under. Däremot, placeras stöden med längre avstånd ökar investeringskostnaden för bron då mer material behövs för överbyggnaden då spännvidden blir längre. Är GC-banan upphöjd i jämförelse med vägen blir den säkrare då risken för påkörning minimeras (Trafikverket, 2022a). Fordon förhindras då att köra upp på GC-banan vid en eventuell olycka. För biltrafikanter på bron stärks säkerheten av att det är räcken både mellan vägens färdriktningar samt ut med brons kanter. Belysning på och under bron ökar tryggheten och säkerheten på både vägen och GC-banan under kvällstid. En viktig aspekt under produktionsstadiet är arbetsmiljö. År 2020 uppskattades det att 1–2% av de sysselsatta inom byggindustrin i Sverige fått någon form av arbetsskada (Samuelsson, 2020). Enligt Trafikverket kan frågor ställas tidigt i projekteringsstadiet (Trafikverket, 2022a). Frågorna kan handla om huruvida arbetarna behöver jobba på höga höjder, hur man minskar arbetsuppgifter i oergonomiska positioner eller hur tunga lyft som utförs under en arbetsdag kan reduceras. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 12 6 Urvalsprocess 1 I detta avsnitt presenteras lämpliga brotyper med olika utformningar som anses vara relevanta för urval 1. Koncepten är sammanställda i Tabell 2 i vilken det framgår om de olika broförslagen uppfyller de tidigare beskrivna förutsättningarna och kraven från Kapitel 2 samt om de är aktuella för nästa urvalsprocess. Tabell 2 Utvärdering av brokoncepten utifrån förutsättningar och krav. Broar som studeras vidare i urvalsprocess 2 - Bågbro med överliggande båge i stål - Fackverksbro med överliggande fackverk i stål - Samverkansbro med I-balkar i stål - Spännarmerad balkbro i betong - Spännarmerad plattbro i betong Broar som inte är aktuella för urvalsprocess 2 Bågbro - Bågbroar med underliggande båge, underliggande bågskiva och mellanliggande brobaneplatta uppnår inte kravet på fri höjd för den underliggande vägen. Fackverksbro - Fackverksbroarna med underliggande konstruktion väljs bort på grund av att det finns risk att den fria höjden för underliggande väg inte uppfylls. Alla träkonstruktioner väljs bort på grund av den kortare tekniska livslängden. Hängbro och snedkabelbro - Broarna väljs bort på grund av konstruktionernas storlek. Brotyperna lämpar sig för större spännvidder och kommer kräva stora mängder material. Samverkansbro - Samverkansbron av balkar i trä väljs bort på grund av att den inte anses ha tillräckligt lång teknisk livslängd. Samverkansbron med lådbalkar är inte aktuella på grund av att det inte uppfyller förutsättningen om fri höjd över Backavägen på grund av kravet för inspektionsmöjligheter i lådkonstruktionen, se Kapitel 4, samverkansbroar. Plattbro - Plattbro av slakarmerad betong och trä väljs bort på grund av att de inte uppnår minsta möjliga spännvidd. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 13 7 Utvärderingskriterier för urvalsprocess 2 Utvärderingskriterierna avser att ligga till grund för bedömning och utvärdering av de brokoncept som anses lämpliga från urvalsprocess 1. Framtagningen av utvärderingskriterierna grundas i de tre fokusområdena. Kriterierna gestaltning och investeringskostnad ingår i ansvarsområde som beställare och konstruktion. Kriterierna produktionsmetoder, byggtid och arbetsmiljö och säkerhet ingår i ansvarsområde produktion. Kriterierna underhållsbehov och förutsättningar för underhållsarbete och inspektion ingår i ansvarsområde underhåll och förvaltning. Gestaltning Kriteriet ämnar till att bedöma de olika brokonceptens estetiska karaktär, hur väl de kan smälta in och integreras med omgivningen. Gestaltningen bör i första hand passa in i miljön snarare än att vara estetisk tilltalande. Investeringskostnad Investeringskostnaden bör vara så låg som möjligt samtidigt som bron ska fylla sin funktion. Antal kvadratmeterbrobana för varje brokoncept är samma, därav utförs analysen utifrån schablonmässiga kvadratmeterpriser. Produktionsmetoder Avsikten med kriteriet är att utvärdera de aktuella broarnas möjliga produktionsmetoder. Vissa tillvägagångsätt fordrar mer komplexa tekniker och avancerade utrustningar vilka kan ge upphov till större störningar som i sin tur kan ha en negativ inverkan på omgivningen. Dessutom ställer vissa produktionsmetoder högre krav på kunskap och kompetens. Byggtid Kriteriets syfte är att utvärdera brokoncepten utifrån byggtid. Ett brokoncept som möjliggör en hög grad av prefabricering har möjlighet att korta byggtiden på arbetsplatsen. En lösning som är enklare att uppföra minimerar byggtiden vilket ur ekonomiskt perspektiv kan resultera i reducerade byggkostnader. Kortare byggtid medför färre störningar på byggarbetsplatsen. Arbetsmiljö och säkerhet Kriteriet syftar till att beskriva specifika arbetsförhållanden och risker på byggarbetsplatsen under produktion för de olika brokoncepten. Det är väsentligt att hög säkerhet kan tillförsäkras på arbetsplatsen för att skapa trygghet för arbetarna samt minska risken för att olyckor uppstår vid produktionens olika moment. Underhållsbehov Kriteriet bedömer brotypernas underhållsbehov. Ommålning, reparationer och byten av komponenter är några vanliga underhållsåtgärder. En komplex bro med olika material och fler anslutningar mellan olika komponenter ger ett större underhållsbehov. Ett stort underhållsbehov ger högre underhållskostnader och trafikstörningar (Trafikverket, 2022a). Förutsättningar för underhållsarbete och inspektion Kriteriet utvärderar möjligheten att utföra underhållsarbeten och inspektion. Vid utförande av underhållsarbeten bör inverkan på trafikflödet minimeras, samtidigt som man säkerställer att underhållsåtgärderna kan genomföras på ett säkert sätt (Trafikverket, 2022a). Arbetsmiljön och möjligheten för underhåll och reparationer underlättas genom att förse bron med tillräckligt utrymme runt underhållskrävande komponenter. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 14 8 Urvalsprocess 2 I detta avsnitt skildras de fem brokoncepten som har gått vidare från urvalsprocess 1. Analyserna av koncepten har utförts i de tre fokusområdena utifrån tillhörande utvärderingskriterier i Kapitel 7. Efter analysen viktas utvärderingskriterierna mot varandra i en viktningstabell för att erhålla en procentsats som beskriver hur högt varje utvärderingskriterium prioriteras. Slutligen betygssätts de olika brokoncepten med de viktade kriterierna utifrån analyserna för att utse det mest lämpliga brokonceptet. 8.1 Analys av bågbro med överliggande båge i stål Beställare och konstruktion Den huvudsakliga anledningen till att bågbroar är ett alternativ vid brokonstruktion är av estetiska skäl (Trafikverket, 2014). Gestaltningen av bågen bidrar till en ökad konstruktionshöjd över vägbanan vilket medför att bron kan anses vara ett lokalt landmärke för området, se Figur 2 för principiell utformning av bron. Av beständighetsskäl måste stålkonstruktionen målas. Beroende på färgval kan brons karaktär stärkas. Figur 2 Principiell skiss av en bågbro. Uppskattning av den förväntade investeringskostnaden kan utföras med schablonmässiga värden. Bågbron uppskattas ha en investeringskostnad på 45 000 kr/m2, se Kapitel 5 Tabell 1. Produktion Produktionsmetoden för denna typ av lösning inleds med att brodäcket konstrueras på temporära konstruktioner (Hirt & Lebet, 2013). När brodäcket är på plats kan den verka som en plattform för att bygga bågarna. För att underlätta uppförandet av bågarna används ofta tornliknande tillfälliga stödkonstruktioner. Bågen är förtillverkad i fabrik som mindre delelement och levereras till arbetsplatsen där de lyfts upp med hjälp av kranar för att sedan svetsas samman. Fördelarna med stålelement är att de är lätta som följd av sin slanka utformning och därav fordras små lyftkranar som är enklare att manövrera. Vad gäller brodäcket utgörs den i huvudsak av en armerad betongplatta som kan vara prefabricerad eller platsgjuten. Bågen och brodäcket förbinds sedan genom montering av vertikala kablar eller linor. Ur säkerhetssynpunkt leder denna produktionsmetod till risker då det förekommer många temporära konstruktioner, som kan leda till olycksfall på byggarbetsplatser. Vid montering av bågarna utförs arbeten på höga höjder vilket ökar risken för olyckor. Verktyg, byggnadsmaterial eller personer riskerar att falla ned och skada sig själva eller andra. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 15 Förvaltning och underhåll Bågbrons konstruktion är uppbyggd av många komponenter som kräver underhåll, till exempel den överliggande bågen, kopplingspunkter och linor. Utöver det tillkommer underhåll av brofarbana och sekundärbärverkets tvär- och längsgående balkar. Brotypen är konstruerad av olika material och många olika komponenter som kräver olika former av underhåll, vilket leder till att underhållsarbetet blir komplext och kostsamt. Om bågen byggs i stål behöver den regelbunden ytbehandling, se Kapitel 3.1. Bron byggs i ett spann vilket medföra att det inte krävs underhåll av ett mittstöd. Arbetsmiljön är utmanande då arbetet för bågarna och linorna utförs på hög höjd. Utrymmet för att utföra underhåll och reparationer på brobanan kan vara begränsat av linor och båge. 8.2 Analys av fackverksbro med överliggande fackverk i stål Beställare och konstruktion Bron började tillämpas under industriella revolutionen i samband med att stålproduktionen ökade i Europa. Bron kan därför upplevas som industriell där funktion prioriterats över dess estetik, se Figur 3 för principiell utformning av bron. Likt bågbron behöver även fackverksbrons stålkonstruktioner målas av beständighetsskäl, vilket kan resultera i ett modernare intryck. Figur 3 Principiell skiss av en fackverksbro. Uppskattning av den förväntade investeringskostnaden kan utföras med schablonmässiga värden. Fackverksbron med överliggande båge uppskattas ha en investeringskostnad på 50 000 kr/m2, se Kapitel 5 Tabell 1. Produktion Stängerna till fackverket produceras i fabrik där de också svetsas samman till mindre enheter. På byggarbetsplatsen kan de antingen lyftas upp av kranar för att sedan svetsas samman alternativt lanseras bron som en färdig struktur. Begränsning av plats har inverkan på val av produktionsmetod. För att tillgängliggöra svetsarbete på hög höjd är temporära konstruktioner nödvändiga. När fackverket är färdigställd kan betongfarbanan gjutas. Produktionen för en fackverksbro är komplex även om de mindre fackverkselementen prefabriceras. Detta på grund av att det är många komponenter som måste sammanlänkas där även varierande geometrier kan komplicera svetsarbetet. Därav ställs det högre krav på kompetens hos svetsarbetarna. I samma led blir tidsåtgången relativ lång för monteringen. Vid montering kan, likt bågbron, arbeten på hög höjd förekomma. Som nämnts tidigare behöver ett flertal svetsarbeten utföras vilket medför risker. Exempelvis kan svetsarbeten i oergonomiska positioner behöva utföras. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 16 Förvaltning och underhåll Fackverksbron har likt bågbron många underhållskrävande komponenter. Fackverk har många kopplingspunkter med förband som kräver extra underhåll (Boverket, 2007). Utöver fackverket tillkommer underhåll av brofarbanan och sekundärbärverkets tvär- och längsgående balkar. Stålelementen behöver regelbunden ytbehandling, se Kapitel 3.1. Bron byggs vanligtvis i ett spann vilket gör att det inte krävs underhåll av ett mittstöd. Arbetsmiljön för inspektion och underhåll av fackverket sker på hög höjd och den tillgängliga arbetsytan är begränsad av fackverket. 8.3 Analys av samverkansbro med I-balkar i stål Beställare och konstruktion Brons gestaltning kan ge ett subtilt intryck beroende på de längsgående balkarnas utformning, se Figur 4 för principiell utformning av bron. Går bron över en underliggande väg samtidigt som balkarna är höga kan bron uppfattas som klumpig (Trafikverket, 2022a). Används flera balkar kan balkhöjden reduceras och på så sätt upplevs bron gracil. Likt bågbron behöver även samverkansbrons stålelement målas av beständighetsskäl. Färgvalet kan ge bron ett stilrent intryck. Figur 4 Principiell skiss av en samverkansbro. Uppskattning av den förväntade investeringskostnaden kan utföras med schablonmässiga värden. Samverkansbron med I-balkar uppskattas ha en investeringskostnad på 40 000 kr/m2, se Kapitel 5 Tabell 1. Produktion För samverkansbroar är lansering den vanligaste produktionsmetoden. De färdigtillverkade I- balkarna transporteras till byggarbetsplatsen där de svetsas samman i ena änden av det planerade broläget i linje med dess axel (Hirt & Lebet, 2013). Den monterade enheten skjuts ut med hjälp av domkrafter från landfästen för att ge plats för ett nytt element. Eftersom processen innebär längre konsolutbyggnad för varje etapp, ökar tyngden och därför förses stålelementen med en uppvinklad lanseringsnos i syfte att kompensera detta. Betongfarbanan gjuts på I-balkarna och samverkan utvecklas med hjälp av studs som är fastsvetsade på överflänsen. Genom att uppföra bron med de prefabricerade stålelementen reduceras arbetstiden. Komplexiteten i denna utformning är låg. Det krävs att konstruktionsberäkningar görs under produktionsskede kopplade till konsolutbyggnaden med avseende på böjningen av lanseringsänden. Lanseringsprocessen utgör ett kritiskt moment under produktionen av bron. Säkerställandet av stabilitet är avgörande för att lanseringen ska kunna utföras på ett säkert sätt. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 17 Förvaltning och underhåll Samverkansbron är mindre komplex än fackverk- och bågbron. Brotypen har inget överliggande bärverk som kräver underhållsarbeten. Den består av flera material som behöver olika typer av inspektioner och tillsyn. Underhållsbehovet för denna brotyp är låg då den, till skillnad från bågbron och fackverksbron, har få kopplingspunkter mellan olika brodelar. Stålbalkarna behöver regelbundet ytbehandlas för att skyddas mot korrosion, se Kapitel 3.1. Att utföra underhållsarbeten på brobanan begränsas inte av andra brodelar. Alla brodelar är lättåtkomliga. Detta medför att det är enklare att genomföra underhållsarbeten på denna brotyp. 8.4 Analys av spännarmerad balkbro i betong Beställare och konstruktion Balkbrons gestaltning uppfattas liknande en samverkansbro med I-balkar, se Kapitel 8.3.1. Dock målas inte balkbroar i betong men balkelementen kan votas (Trafikverket, 2014). Voterna bidrar till att balkarna får en bågliknande form där konstruktionshöjden kan variera längs brolängden. Balkbron blir då estetiskt tilltalande samtidigt som bron upplevs gracil, se figur 5 för principiell utformning av bron. Figur 5 Principiell skiss av en balkbro. Uppskattning av den förväntade investeringskostnaden kan utföras med schablonmässiga värden. Den spännarmerade balkbron uppskattas ha en investeringskostnad på 40 000 kr/m2, se Kapitel 5 Tabell 1. Produktion Produktionen för denna typ av bro kan variera beroende på hur balkarna är tillverkade. Den förspända betongen kan utformas med förespänning eller efterspänning. Farbanan kan gjutas etappvis och när bron är uppförd kan alla formar och ställningar rivas. Vid kontinuerliga balkbroar med höga pelare kan exempelvis klätterform användas för att gjuta betongpelare som verkar som stöd. Arbetsförhållandena på byggplatsen kan inte likställas med de i fabrik, inte minst på grund av att arbetarna behöver gå i gjutformarna där oergonomiska positioner erfordras samt påverkan av vibrationer när betongen vibreras. Då mycket av arbetet sker på byggplatsen förväntas också mer störningar uppstå i området genom exempelvis tillfällig avstängning av trafik på vägbanan under bron. Förvaltning och underhåll Dess enkla design och att den enbart består av armerad betong medför att det är enkelt att genomföra inspektioner och reparationer på denna bro. Brotypen kräver likt samverkansbron väldigt få kopplingspunkter mellan olika brodelar. Armeringen i betongen måste skyddas från korrosion och det krävs regelbunden inspektion av det täckande betongskiktet. Att utföra underhållsarbeten på brobanan begränsas inte av andra brodelar. Alla brodelar är lättåtkomliga. Detta innebär att det är enkelt att genomföra underhållsarbeten på denna bro. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 18 8.5 Analys av spännarmerad plattbro i betong Beställare och konstruktion Plattbron och balkbron har likartad gestaltning (Trafikverket, 2014). Det som skiljer plattbron från balkbron är konstruktionshöjden, då broplattan är det bärande elementet i stället för de längsgående balkarna i balkbron. Den reducerade konstruktionshöjd gör att underfarten upplevs raffinerad samtidigt som bron i sin helhet kan uppskattas för sin enkelhet, se Figur 6 för principiell utformning av bron. Figur 6 Principiell skiss av en plattbro. Uppskattning av den förväntade investeringskostnaden kan utföras med schablonmässiga värden. Plattbron uppskattas ha en investeringskostnad på 40 000 kr/m2, se Kapitel 5 Tabell 1. Produktion Plattbroar byggs med samma princip som balkbroar. Skillnaden är att balkarna är ersatta med en armerad betongplatta. Med hjälp av gjutformar och temporära konstruktioner kan gjutningen av plattan initieras från ändstöden och spännas upp vid varje omgång av gjutningen. Den förspända plattan som utgör huvudbärverket verkar som farbana. Vidare finns det även lösningar av plattbroar där broplattan är förtillverkad i fabrik. Tillfälliga stödkonstruktioner och gjutformar som används för att möjliggöra gjutning av farbanan ökar risken för olyckor såsom kollaps av temporära konstruktioner. Gjutning är en tidskrävande process vilket har en negativ inverkan på byggtiden. Ur arbetsmiljösynpunkt är hanteringen av betongen och armeringen vid platsgjutning betungande för arbetarna. Förvaltning och underhåll Till skillnad från balkbron har plattbron inga balkar som kräver underhåll men i övrigt finns det samma underhållsbehov som vid en balkbro i spännarmerad betong. Förutsättningar för inspektion och underhållsarbeten är också samma som för en balkbro, se Kapitel 8.4.3. 8.6 Viktning av utvärderingskriterier Viktningen av utvärderingskriterierna illustreras i Tabell 3 nedan och är baserade på exempel från Trafikverket (Trafikverket, 2022a). I tabellen redovisas hur utvärderingskriterierna prioriteras i jämförelse med varandra. Prioriteras ett kriterium lägre än ett annat erhålls en 1:a, en 2:a om de är lika betydelsefulla och en 3:a om kriteriet prioriteras högre. Procentsatsen i sista kolumnen i tabellen beskriver hur stor andel respektive utvärderingskriterium utgör av den totala analysen CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 19 Tabell 3 Viktning av utvärderingskriterier. Resultatet av viktningen påvisar på att kriteriet Arbetsmiljö och säkerhet har prioriterats högst och därmed anses vara viktigast. Däremot har Investeringskostnader erhållit lägst viktning och således fått den lägsta prioriteten. 8.7 Bedömning av brokoncept utifrån utvärderingskriterierna Inom fokusområdena graderas respektive brokoncept, se Tabell 4, utifrån analyserna av utvärderingskriterierna. Brokoncepten erhåller en poäng mellan 0 och 4 på huruvida konceptet anses uppfylla varje viktat utvärderingskriterium. Desto högre viktat genomsnitt ett brokoncept erhåller desto lämpligare är brokonceptet att uppföras vid Backavägen. Tabell 4 Utvärdering av de fem brokoncepten. I Tabell 4 framgår det att samverkanbron med I-balkar i stål svarar bäst mot de viktade utvärderingskriterierna. Den har erhållit högst viktat genomsnitt varmed den anses vara mest lämplig som det slutliga brokonceptet. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 20 9 Analys och val av landfästen och mittstöd För att uppfylla kraven på maximal nedböjning samt begränsningar av konstruktionshöjden måste spännvidden begränsas. Konstruktionshöjden för en samverkansbro uppskattas vara 3,5–6% av spännvidden och minskas genom att ha ett mittstöd (Vägverket, 1996). Därför kommer brobanan vila på tre stöd, ett landfäste på vardera sida om Backavägen och ett mittstöd mellan underpassagens färdriktningar. Ändstöden skapar en nivåskillnad mellan Backavägen och överliggande väg. Detta medför att ändkonstruktionerna kommer behöva ta upp laster från bron, men också laster från jordmassor som måste hållas borta från underliggande vägbana. Landfästen kan utformas på olika sätt och nedan presenteras tre förslag som kan vara aktuella vid Backavägen. 9.1 Landfäste med vingmur, frontmur och lager I detta förslag konstrueras vägbankarna, i anslutning till bron, med krossmaterial och jord. Jordmassorna kommer skapa slänter på vardera sida om vägbanan. Vid landfästet, där brofarbanan ansluter, anläggs en vingmur, frontmur, stöd och lager. Vingmurarnas syfte är att förhindra att jordmassor rasar ned som följd av nivåskillnaderna mellan överliggande och underliggande väg (Trafikverket, 2022a). Syftet med lagren är att tillåta brons rörelser i längdled respektive tvärled för att undvika att temperaturlaster tillförs bron. Att ha slänter på vardera sida är en lösning som är enkel att uppföra och materialeffektiv. För principiell skiss av övergångskonstruktionen se Figur 7. Figur 7 Utformning av landfäste med vingmur, ändskärm och lager. 9.2 Landfäste med vingmur och ändskärm hopgjuten med brofarbanan I detta alternativ gjuts brofarbanan ihop med vingmuren och ändskärmen. Utformningen leder till en kostnadseffektiv lösning då den inte behöver lager. Eftersom brobanan saknar lager kommer brons temperaturberoende expansioner leda till påtvingade spänningar i brobaneplattan samt att jorden som ansluter mot vingmuren och frontmuren packas hårdare när bron expanderar. För principiell skiss av övergångskonstruktionen se Figur 8. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 21 Figur 8 Utformning av landfäste med vingmur och ändskärm hopgjuten med farbanan. 9.3 Landfäste med stödmur, frontmur och lager Denna utformning bygger på att vägbanken endast höjs upp under vägbanan och hålls på plats av murar parallellt med vägen (Trafikverket, 2022a). Konstruktionen består av frontmur, parallella murar längs vägen, stöd och lager. Till skillnad från de andra alternativen kräver denna lösning ingen vingmur. Att endast höja vägbanken under bron kräver större insatser vid uppförandet av bron då stödmurarna som löper parallellt med vägen riskerar att bli långa för att kompensera nivåskillnader. För principiell skiss av övergångskonstruktionen se Figur 9. Figur 9 Utformning av ändstöd med stödmurar. 9.4 Val av övergångskonstruktion Det alternativ som lämpar sig bäst för bron över Backavägen är alternativet med vingmur, frontmur och lager, se kapitel 9.1. Detta på grund av att det är en materialeffektiv lösning som är enkel att uppföra. Lagren gör att bron inte får temperaturberoende spänningar i brobaneplattan och I-balkarna. Alternativet med stödmur väljs bort på grund av att den inte är lika materialeffektiv som det valda alternativet och därav blir dyrare att bygga. Alternativet med hopgjuten brofarbana med vingmur och ändskärm väljs bort då den riskerar att leda till stora temperaturberoende spänningar i brobaneplattan och I-balkar. 9.5 Utformning av mittstöd Mittstödet kan utformas på många olika sätt och måste utformas så att det kan leda laster från vägbanan ner till grundläggningen. Stödet är placerat mellan farbanor och utgör en siktbegränsning och påkörningsrisk. I kopplingen mellan brobanan och stödet finns det lager. För en bro i flera spann väljs i de flesta fall fast lager vid mellanstöd och rörliga lager vid ändstöd (Trafikverket, 2022a). Mittstöden ansätts som en pelare under varje balk i vägbanan. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 22 10 Beskrivning av valt brokoncept I följande avsnitt presenteras en översiktlig riskanalys för samverkansbron. I Avsnittet presenteras även en kort beskrivning på hur bron kan anläggas och vilka underhållsarbeten som är aktuella för samverkansbron. 10.1 Riskanalys av brukstadiet Utformningen av samverkansbron medför risker som måste beaktas. För underpassagen är mittstödet särskilt utsatt för påkörningslaster (Trafikverket, 2019). För att undvika skador vid mittstödet placeras ett påkörningsskydd kring stödet. Liknande åtgärder kan göras på brobanan för att minska risken för kollisioner med mötande fordon samt att trafikanter kör av bron. Brostödet begränsar även sikten under bron, vilket bidrar till en ökad risk för olyckor. GC-banan konstrueras med en höjdskillnad till den underliggande vägen vilket medför att vid en eventuell olycka minskar risken att ett fordon hamnar på GC-banan. I-balkarna kan klassas som slanka konstruktionselement med lägre egenvikt och materialåtgång än exempelvis ett balkelement i betong. Det medför att konsekvenserna vid en eventuell påkörning blir allvarligare för en samverkansbro än en balkbro i betong då bron lättare kan deformeras samt lossna från brostöden (Trafikverket, 2019). Trafikverket har etablerat en minimigräns om 5,2 meter för den fria höjden under bron gällande stålkonstruktioner för att minska påkörningsrisken. Bron ska ha en minsta fri höjd om 5,7 meter och kravet klaras med minst 50 centimeter. Således löper det en minimal risk att överbyggnaden blir påkörd. Under brons livstid finns det risk för att sprickor uppstår i stöden, brofarbanan och kantbalkarna. Sprickorna kan uppstå av exempelvis frostsprängning, olycksfall eller att bron utnyttjats under en längre period. Sprickorna medför att klorider kan tränga in i betongen under vinterhalvåret då vägarna saltas vilket katalyserar oxidationen av armeringsstålen. Detta är främst ett problem för mittstödet då det är placerat i anslutning till de båda körbanorna. Kloriderna ökar även korrosionsrisken för I-balkarna vilket måste beaktas när tidsintervallen för inspektioner bestäms. Dock ytbehandlas och målas I-balkarna utifrån erforderlig exponeringsklass. 10.2 Produktion av samverkansbron över Backavägen Anläggningen av samverkansbron över Backavägen sker i olika etapper. Första etappen avser markarbeten såsom pålning, landskapsanpassning samt ombyggnation av den nuvarande Backavägen, se Kapitel 2. Arbetsförutsättningarna på platsen säkerställs genom att uppföra arbetsbodar samt plats där nödvändiga arbeten kan utföras på ett säkert sätt med goda arbetsförhållanden. Bland annat krävs ett tält för att utföra svetsningsarbeten. På pålarna gjuts en bottenplatta som fungerar som grund för brons landfäste och mittstöd. Ändstöd samt mittstöd armeras och gjuts samman med bottenplattan. När ändstöden och mittstöd har här dat kan vingmurar gjutas på vardera sida om ändstöden. Pottlager gjuts fast på landfäste och mittstöd. När vingmurarna har härdat, fylls vägbanken med makadam tills den önskade vägprofilen är uppnådd. Parallellt med uppförandet av stöden har brons I-balkar svetsats samman och förberetts i fabrik och transporterats till byggarbetsplatsen. Varje I-balk består av tre 20 meter långa element som på arbetsplatsen svetsas ihop till en kontinuerlig balk. På arbetsplatsen svetsas CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 23 stålkomponenterna ihop och gjutformar monteras sedan på stålkonstruktionen, se Figur 10. På I-balkarnas ena ände monteras en lanseringsnos vars syfte är att lyfta konstruktionen när denna når stöden. Figur 10 Illustration av konstruktion som ska lanseras. När underbyggnaden är anlagd kan stålkonstruktionen lanseras ut på stöden och placeras på lagren. Utförandet görs med domkrafter som puttar stålkonstruktionen över landfästet vidare över mittstödet tills konstruktionen ligger i brons slutliga läge. När stålbalkarna placerats i sitt slutliga läge kan gjutningen av farbanan påbörjas. Armeringen placeras i gjutformen och gjutningen sker ett spann i taget. När brobanan har härdat anläggs beläggning och räcken installeras. Brobygget avslutas med att måla stålkomponenter. 10.3 Underhåll och förvaltning Samverkansbron kräver olika typer av underhållsarbeten för att kunna uppfylla sin funktion under hela sin livslängd. Detta är bland annat målning och byten av komponenter. Konstruktionens stålkomponenter och dess korrosionsskydd inspekteras fortlöpande under hela bronslivstid, om det finns risk för korrosion påbättras skyddet. Brons lager förväntas hålla i 50 år. Detta innebär att dessa kommer behöva bytas under det förväntade livslängden. För att kunna identifiera när lagren behöver underhåll eller bytas ut är det viktigt att det finns plats så att det är enkelt att inspektera lagren och dess skruvgrupper. Kantbalkarna är särskilt utsatta för olika former av nedbrytning och kommer därför också att behöva ersättas under livstiden. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 24 11 Systemmodell och laster Den preliminära systemmodellen i längs- och tvärled för det valda brokonceptet framgår av Figur 11 och 12. Vid framtagning av systemmodellen har några förenklingar gjorts för att beräkningar ska kunna genomföras. Brobanan förenklas till att vara rektangulär i analysen. Figur 11 Upplagsvillkor för längsgående I-balkar. Figur 12 Upplagsvillkor för brobaneplattan i tvärled. För att låsa hela konstruktionen har ett fast lager placerats vid mittstödet samt ett ensidigt rörligt lager vid respektive ändstöd. Rörelser orsakade av temperaturförändringar och krympning tillåts genom placeringen av de rörliga lagren. Rörelseriktningarna har valts för att minimera spänningstillskotten i brobaneplattan eller huvudbalkarna. En principiell illustration av vilka lagertyper som kan användas vid de olika stöden för att förhindra samt tillåta möjliga rörelser illustreras i Figur 13. Figur 13 Tillåtna rörelseriktningar mellan I-balkar och lager. Systemmodellerna i Figur 11 och 12 ligger till grund för beräkningsmodellerna i Bilaga B där endast egenvikt och trafiklast är de lasttyperna som beaktats. Vid dimensionering av mittstöden beaktas även olyckslast. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 25 12 Preliminär dimensionering I den preliminära dimensioneringen används beräkningsmodellerna i Bilaga B som baseras på LM1 i SS-EN-1991-2. Beräkningsgång för laster i tvärled och längdled framgår av Kapitel 1 och 3 i Bilaga B. För att beakta för ytterligare laster ansätts en maximal utnyttjandegrad för materialen i konstruktionen till 85%. Kontrollerna som görs vid dimensionering utgår från Trafikverkets krav och riktlinjer i Eurokoder. Bron dimensioneras för en livslängdsklass på L50 där exponeringsklasserna för den trafikerade betongplattan är XD1/XF2 och för kantbalkarna XD3/XF4 (Trafikverket, 2011). Det minsta täckande betongskikt som fordras är 35 mm och kravet på sprickbredd uppgår maximalt till 0,30 mm. För betongen används hållfasthetsklass C45/55 med cementtypen klass N. För I-balkarna används stålkvalitén S355 och för armeringen används B500B. Brobaneplattan förses med typbeläggningen 1IIIA (100 mm) vilken är uppbyggd av 1. Polymermodifierad asfaltmatrix (10 mm), III. Kombinerat bind och skyddslager (50 mm) och A. Slitlager (40 mm). Kantbalkarna som möjliggör uppförande av räcken utformas enligt de minsta dimensionerna angivna i TRVR Bro 11 där bredd och höjd är 400 mm. 12.1 Dimensionerat betongtvärsnitt i tvärled Slutliga dimensioner och armeringens placering för brobaneplattan i tvärled redovisas i Figur 14 och 15. Beräkningar redovisas i Kapitel 2 i Bilaga B. Betongtvärsnittet är dimensionerat över stöd och speglas i fält, över stöd är ovansidan dragen och i fält är undersidan dragen. Figur 14 Betongfarbanans tvärsnitt i tvärled över stöd. Figur 15 Betongfarbanans tvärsnitt i tvärled i fält. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 26 Kontroller i ULS I brottgränstillstånd kontrolleras betongtvärsnittets momentkapacitet och tvärkraftskapacitet. Kapaciteten jämförs med dimensionerande lastfall. Se Bilaga B Kapitel 2.1 för beräkning av kapacitet i brottgränstillstånd. Utnyttjandegraden för moment beräknas till 84% och för tvärkraften 37%. Tvärsnittet förväntas ha ett segt verkningssätt. Kontroller i SLS I bruksgräns kontrolleras spänningar, sprickbredd och nedböjning. Beräkningar visar att tvärsnittets klarar spänningskrav och sprickbredd, se Bilaga B Kapitel 2.2 för samtliga kontroller. Mellan balkarna klarar tvärsnittet nedböjningskravet. Dock indikerar beräkningarna att konsolen inte klarar nedböjningskravet 5 mm. Nedböjningen för konsolen överstiger kravet med 2 mm. 12.2 Dimensionerat tvärsnitt i längdled Analyserna i längdled är utförda med antagandet om full samverkan mellan betongplattan och stålbalkarna. Det dimensionerade tvärsnittet i längdled redovisas i Figur 16. Livet dimensioneras för att bära tvärkraften och flänsarna momentet. I-balkens överfläns har mindre dimensioner än underflänsen eftersom den samverkar med betongen. Tvärsnittet kompletteras med styva livavstyvningar. Livavstyvningarna illustreras i Figur 17. Figur 16 Samverkanstvärsnitt i längdled. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 27 Figur 17 Illustration av styva avstyvningar. Kontroller i ULS I brottgränstillstånd kontrolleras bärförmåga, tvärsnittsklass, vippning och buckling. Vissa förenklingar har gjorts för att underlätta beräkningar av kapaciteten. I fält antas hela betongtvärsnittet tryckt medan över stöd helt dragen. Momentkapaciteten och tvärkraftskapaciteten beräknas vara större än lasterna och utnyttjandegraden beräknas till 59% för moment och 42% för tvärkraft, se Kapitel 4.1.2–4.1.3 i Bilaga B för beräkningar. I-balkens tvärsnittsklass bestäms för att beakta tvärsnittets risk för instabilitet, en högre tvärsnittsklass innebär större risk för instabilitet. Tvärsnittsklass har analyserats för både flänsar och livplåten. Tvärsnittet hamnar i tvärsnittsklass 1, vilket innebär att tvärsnittet uppnår full plasticering vid brott. För beräkning se Kapitel 4.1.1 i Bilaga B. Risken för vippning kontrolleras och beräkningar visar att det inte finns risk för vippning. Balkarnas avstyvningar är utformade så att det inte föreligger risk för buckling. Beräkningarna återfinns i Kapitel 4.1.2–4.1.4 i Bilaga B. Kontroller av I-balkar under gjutskedet Stålbalkarna kontrolleras för att klara gjutskedet, vid gjutning råder ingen samverkan mellan balkarna och betongplattan. Två beräkningsmodeller studeras, ett där halva balken har gjutits och ett där hela balken har gjutits. Kapaciteteten för I-balkarna är större än lasten och tvärsnittet förväntas klara att bära lasterna som verkar under gjutskedet, för beräkningar se Kapitel 4.2 i Bilaga B. Kontroller i SLS I bruksgräns kontrolleras spänningar, sprickbredd och nedböjning. Beräkningar visar att tvärsnittet klarar samtliga krav, se även Kapitel 4.3.1–4.3.3 i Bilaga B. 12.3 Detaljutforming av studs Beräkningen visar att 5 studs per meter i rader om 3 måste svetsats på I-balkarnas överfläns för att motstå skjuvspänningarna, se Bilaga B Kapitel 4.4. Figur 18 illustrerar studsens dimensioner och avstånden mellan dessa. Med denna utformning uppfylls samtliga krav för studsens dimensioner och kant- och centrumavstånd angivna i SS-EN 1994–2:2005. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 28 Figur 18 Studsens dimensioner och placering från två olika vyer. 12.4 Svetsar för I-balk I-balkarna kommer sammanfogas med stumsvetsar. Hållfastheten för dessa svetsar överstiger stålbalkarnas och behöver inte kontrolleras. Halssvetsarna mellan liv och flänsar behöver däremot kontrolleras. Efter beräkningar väljs halssvetsarnas a-mått till 10 mm för den undre svetsen och 6 mm för den övre svetsen. För beräkning se Kapitel 4.5 i Bilaga B. 12.5 Utformning av mittstöd och lager Stödet dimensioneras för det lastfall som ger störst stödreaktion i mittstödet. Utöver stödreaktionen ansätts en påkörningslast som verkar 1 m över markytan. Stödet är preliminärt dimensionerat för brottgräns. Pelarens tvärsnitt redovisas i Figur 19. Beräkningarna redovisas i Kapitel 5.1 i Bilaga B. Figur 19 Illustration av pelartvärsnitt. Potlagerna TOBE Type 40 väljs för det fast inspända, de ensidigt rörliga samt de allsidigt rörliga lagren (TOBE, 2011). Utnyttjandegraden för lagren är 80% av den maximala stödkraften. Se Kapitel 5.2 i Bilaga B för framtagning av lager. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 29 13 Diskussion Projektets syfte och mål var formulerat som ett öppet problem där en stor del av projektet har varit att jämföra, diskutera och analysera flera brokoncept. Detta har lett till att vi behövt analysera flera möjliga lösningar som visat sig vara mer eller mindre lämpliga utifrån platsens förutsättningar. Samverkansbron anser vi är mest lämplig och ett realistiskt alternativ vid Backavägen. Framtagningen av ett lämpligt broförslag har baserats på inläsning av olika brotyper samt analyser av olika utvärderingskriterier. Att göra en rimlig bedömning och skapa kriterier som på ett rättvist sätt jämför brotyperna kräver kompetens inom området. Gruppens begränsade kunskap kan därför ha medfört att felbedömningar och antaganden gjorts vid framtagning av lämpligt brokoncept. Det var särskilt svårt att bedöma kostnader för respektive brotyp. Då materialåtgång, materialkostnader, anläggning och underhåll tillsammans utgör den totala kostnaden prioriterades ekonomiska aspekten lågt. Dels för att materialpriserna uppdateras i realtid, dels för att investeringskostnaderna och löner varierar beroende på var broelementen tillverkas. Detsamma gäller för den ekologiska hållbarhetsaspekten som vanligtvis beaktas vid brokonstruktion. Utsläppen är beroende av i vilken fabrik broelementen produceras i samt vilka klimatlagar och normer som präglar produktionen i det land där broelementen tillverkas. Ovannämnda anledningar har därför försvårat bedömningen av dessa aspekter och lett till att den ekonomiska och ekologiska hållbarheten har behandlats mer generellt i ett eget avsnitt och uteblivit som ett utvärderingskriterium. Beräkningsmodellerna har baserats på förenklingar, antaganden och begränsningar som möjliggjort den preliminära dimensioneringen. Detta har också medfört att dimensioneringen bortser från eventuellt kritiska lastfall och beteenden. Till exempel har systemmodellen för bron ansatts att vara rektangulär trots att dess verkliga utformning är skev. Här finns det risker som vi inte kunnat analysera, till exempel lagerlyft. Den preliminära dimensioneringen ansätter endast kontroller utifrån LM1, där endast egentyngder och trafiklaster har beaktats. För en komplett brodimensionering hade fler lastmodeller och andra typer av brolaster behövts analyseras för att säkerställa att bron uppfyller alla Trafikverkets krav för vägbroar. Specifikt för stålkonstruktioner behöver även utmattning kontrolleras för att säkerställa konstruktionens bärförmåga över längre tid. Utifrån vår kunskapsnivå uppfattas de framtagna dimensionerna som rimliga. Konstruktionshöjden utgör 4,7% av spännvidden vilket ligger i det spann som anses vara vanligt för en samverkansbro om 3,5–6% (Vägverket, 1996). Med de presenterade dimensionerna erhålls låga utnyttjandegrader i vissa beräkningar vilket indikerar på att det finns utrymme för optimering. Resultatet visade att betongfarbanans konsoler inte klarar nedböjningskravet i tvärled. Detta kan bero på att betongplattan, i beräkningsmodellen i tvärled, modelleras som en metersstrimla i längdled och inte som en platta. För en mer kvalitativ analys av nedböjningen hade exempelvis finita elementprogram behövt användas på hela elementet. En lösning till problemet hade kunnat vara att antingen öka betongfarbananas höjd eller öka armeringsmängden och på så sätt öka styvheten i betongplattan. CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 30 14 Slutsats Syftet med rapporten var att ta fram ett brokoncept och slutligen genomföra en preliminär dimensionering av det valda konceptet. Broförslaget vi presenterar i rapporten är en samverkansbro med fyra I-balkar. Den genomförda preliminära dimensioneringen visar att det är ett genomförbart alternativ även om optimering och justeringar kvarstår innan ett komplett förslag kan presenteras. Därmed anser vi att rapporten svarar mot det uppsatta syftet och målet. Att valet föll på en samverkansbro är starkt beroende på hur vi valde att formulera och vikta våra urvalskriterier i Kapitel 7. Valet av urvalskriterier samt utvärderingen av dessa bygger till stor del på subjektiva bedömningar. Detta innebär att samverkansbron var det bästa alternativet utifrån de kriterier vi satte upp och hur vi bedömde broalternativen. CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 31 Referenser Abelsson, B., Båge, P., & Westerlund, L. (1998). Träbroar: ett alternativ till stål och betong. Svenska Kommunförbundet. Al-Emrani, M., Engström, B., Johansson, M., & Johansson, P. (2011). Bärande konstruktioner Del 2. Göteborg: Chalmers tekniska högskola. Al-Emrani, M., Engström, B., Johansson, M., & Johansson, P. (2013). Bärande konstruktioner Del 1. Göteborg: Chalmers tekniska högskola. Banverket. (2007). Broprojektering. Banverket. BE Group. (2016). Byggstålshandboken. Malmö. Hämtat från https://www.begroup.se/storage/9A19F538948B1D3F406053FC922BAB55CF8 8E97F3F1BE804B4A5A757C1D4B29E/df96bb95a69848b28898ff128687ae3b/ pdf/media/ede80f10d305418f9b4e8b537afb6917/BE_Byggstalshandboken_okt_ 2016.pdf Betongföreningen. (2010). Svenska Betongföreningens handbok till Eurokod 2. Betongföreningen. (2013). Vägledning för miljöcertifiering enligt Breeam: Breeam se svensk manual för nybyggnad och ombyggnad. (Version 1.0). Stockholm:. Stockholm. Hämtat från https://www.cementa.se/sv/system/files_force/assets/document/52/86/breea m_se_tryck.pdf?download=1 Boverket. (2007). Boverketshandbok om stålkonstruktioner . Karlskrona . Hämtat från boverket.se. Chen, W.-F., & Duan, L. (2014). Bridge engineering handbook: construction and maintenance. Boca Raton: CRC Press. Crenna, E., Secchi, M., Sala, S., & Benini, L. (2019). Global environmental impacts: data sources and methodological choices for calculating normalization factors for LCA. online: Springer-Verlag. doi:10.1007/s11367-019-01604-y Göteborgs Stad. (2019). Program för Backaplan, inom stadsdelarna Backa, Kvillebäcken, Tuve, Lundby, Tingstadsvassen och Lundbyvassen. Göteborg: Stadsbygnadskontoret. Hirt, M., & Lebet, J.-P. (2013). Steel bridges: conceptual and structural design of steel and steel-concrete composite bridges. New York: EPFL Press. Hussein, S., Shaswar, H., & Österberg, T. (2011). Jämförelse mellan en träbro och en betongbro: En LCA-analys med fokus på koldioxidutsläpp samt en LCC-analys. Uppsala: Uppsala Universitet. Lundström, E. (2005). Projektering av träbroar: tre alternativ för utformning av ny bro vid Fårön, Piteå kommun. Instutionen för samhällsbyggnad, Avdelningen för träbyggnad, Luleå. Hämtat från https://www.diva- portal.org/smash/get/diva2:1025381/FULLTEXT01.pdf Pousette, A., Norén, J., Peñaloza, D., Wiklund, U., & Pantze, A. (2014). LCA för vägbro, Analys av en byggd betongöverbyggnad och en alternativ träöverbyggnad. Borås: SP Sveriges Tekniska Forskningsinstitut. Ronnebrant, R., & Glans, L.-Å. (1996). Broprojektering - En handbok. Borlänge: Vägverket. Samuelsson, B. (2020). Arbetsskador inom byggindustrin 2019, bygg- och anläggning - privat sektor. Luleå: Byggindustrins centrala arbetsmiljöråd. Svensk Betong. (12 2021). svenskbetong.se. Hämtat från Alternativa bindemedel i betong: https://cms.betongarhallbart.se/wp- content/uploads/2022/01/svenskbetong_faktablad_alternativa_bindemedel_dec ember_2021.pdf CHALMERS, Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 32 Svenska institutet för standarder. (2003). Eurokod 1: Laster på bärverk – Del 2: Trafiklast på broar. (SS-EN 1991-2). Hämtat från https://www.sis.se/api/document/get/34672 Svenska institutet för standarder. (2008). Eurokod 3: Dimensionering av stålkonstruktioner - Del 1-5: Plåtbalkar. (SS-EN 1993-1-5:2006). Hämtat från https://www-sis-se.proxy.lib.chalmers.se/api/document/get/66797 Svenska institutet för standarder. (2014). Eurokod – Grundläggande dimensioneringsregler för bärverk. (SS-EN 1990). Hämtat från https://www-sis- se.proxy.lib.chalmers.se/api/document/get/32603 Svenska institutet för standarder. (2014). Eurokod 1 - Laster på bärverk – Del 1-7: Allmänna laster - Olyckslast. (SS-EN 1991-1-7:2006). Hämtat från https://www- sis-se.proxy.lib.chalmers.se/api/document/get/68297 Svenska institutet för standarder. (2015). Eurokod 3: Dimensionering av stålkonstruktioner - Del 1-1: Allmänna regler och regler för byggnader. (SS-EN 1993-1-1:2005). Hämtat från https://www.sis.se/api/document/get/8013597 Svenska institutet för standarder. (2016). Eurokod 2: Dimensionering av betongkonstruktioner - Del 1-1: Allmänna regler och regler för byggnader. (SS-EN 1992-1-1:2005). Hämtat från https://www-sis- se.proxy.lib.chalmers.se/api/document/get/66965 Svenska institutet för standarder. (2017). Eurokod 4 - Dimensionering av samverkanskonstruktioner i stål och betong - Del 2: Broar. (SS-EN 1994-2:2005). Hämtat från https://www-sis- se.proxy.lib.chalmers.se/api/document/get/68884 Svensson, A. (2002). Svensson, A. (2002). Undersökning av olika rostskydd hos armering och ingjutningsgods. In: Institutionen för teknik och naturvetenskap. Institutionen för teknik och naturvetenskap. Linköping: Linköpings Universitet. Tinnerstedt, G., & Winsnes Sunnemark, G. (2020). Återvinning av betong. Examensarbete 15 hp, Sveriges lantbruksuniversitet, SLU, Alnarp. Hämtat från https://stud.epsilon.slu.se/15525/14/winsnes_sunnermark_g_tinnerstedt_g_200 513.pdf TOBE. (2011). TOBE® FR4 potlager. [Produktblad]. Trafikverket. (2011). TRVR Bro 11: Trafikverkets tekniska råd Bro. Hämtat från https://trafikverket.ineko.se/Files/sv- SE/10752/RelatedFiles/2011_086_trvr_bro_11.pdf Trafikverket. (2014). BaTMan – Kodförteckning och beskrivning av brotyper. Borlänge: Trafikverket. Trafikverket. (2019). Krav Brobyggande TDOK 2016-0204. v 3-0. Trafikverket. (2021). Lundbyleden, delen Brantingsmotet–Ringömotet. Trafikverket. Trafikverket. (2022a). Broprojekteringshandboken. Trafikverket. Trafikverket. (2022b). Vägar och gators utformning VGU. Hämtat från Trafikverket.se: https://www.trafikverket.se/for-dig-i-branschen/vag/Utformning-av-vagar-och- gator/vagar-och-gators-utformning-vgu/ TRVFS 2011:12. (u.d.). Trafikverkets föreskrifter om ändring i Vägverkets föreskrifter (VVFS 2004:43) om tillämpningen av europeiska beräkningsstandarder. Trafikverket. Hämtat från https://webapp.trafikverket.se/TRVFS/pdf/2011nr012.pdf Vattenfall. (3 2022). En ny ståltillverkningsprocess i syfte att eliminera koldioxid. Hämtat från https://group.vattenfall.com/se/var-verksamhet/vagen-mot-ett-fossilfritt- liv/minska-industrins- CHALMERS Arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Kandidatarbete 33 koldioxidutslapp/hybrit?gclid=Cj0KCQiA95aRBhCsARIsAC2xvfxzTyP94wy4yIFe Kn_Ep7kaMWhfaME9QDf-32_enIhJVZ4OC6gGbHsaAoSqEALw_wcB Vägverket. (1996). Broprojektering. Borlänge: Vägverket. Westbom, H., & Lundgren, J. (2018). Livscykelanalys på stommaterial, Examensarbete 15 högskolepoäng C-nivå. Örebro: Örebro Universitet. Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI 1 Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI Figur 1 Trafikförslag för östra Backaplan – Kvilleleden: Plan. Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI 2 Figur 2 Förslagshandling för bro över Backavägen. Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI 3 Figur 3 Profil Backavägen GC-bana, södra sidan. Figur 4 Profil Kvilleleden. Bilaga A, Planritningar och höjdprofiler: Underlag från COWI 4 Figur 5 Profil Backavägen GC-bana, norra sidan. Figur 6 Profil Backavägen. Bilaga B, Preliminär dimensionering 1 Bilaga B, Preliminär dimensionering Innehållsförteckning 1 BERÄKNINGSGÅNG FÖR LASTER I TVÄRLED 6 1.1 Antal lastfält 6 1.2 Laster för dimensionering i tvärled 6 1.3 Filfaktorer 7 1.4 Beräkningsmodeller för moment och tvärkraft i tvärled 7 1.4.1 Beräkningsmodell 1 i tvärled, maxmoment i stöd A 8 1.4.2 Beräkningsmodell 2 i tvärled, maximal tvärkraft 10 1.4.3 Beräkningsmodell 3 i tvärled, maxmoment i fält 11 2 ANALYS I TVÄRLED 13 2.1 Dimensionering av betongfarbanan i ULS 13 2.2 Kontroll av betongfarbanan i SLS 18 2.2.1 Kontroll av spänningar SLS 20 2.2.2 Kontroll av sprickbredd SLS 21 2.2.3 Kontroll av nedböjning SLS 22 3 BERÄKNINGSGÅNG FÖR LASTER I LÄNGDLED 23 3.1 Beräkningsmodeller i längdled 23 3.1.1 Beräkningsmodell 1 längdled, Maxmoment i stöd 24 3.1.2 Beräkningsmodell 2 i längdled, Maxmoment i fält 25 3.1.3 Beräkningsmodell 3 i längdled, Maximal tvärkraft 26 3.2 Beräkningsgång för laster i gjutskedet 28 3.2.1 Beräkningsmodeller för gjutskedet 28 3.2.2 Beräkningsmodell 1 i gjutskedet, moment och tvärkraft 29 3.2.3 Beräkningsmodell 2 i gjutskedet, moment och tvärkraft 30 4 ANALYS I LÄNGDLED 33 4.1.1 Kontroll av Tvärsnittsklass för I-balkarna 41 4.1.2 Kontroll av momentkapacitet 42 4.1.3 Kontroll av tvärkraftskapacitet 45 4.1.4 Utformning av ändavstyvningar 46 4.2 Kontroll av I-balkar i gjutskedet 47 4.2.1 Kontroll av momentkapacitet 47 4.2.2 Kontroll av tvärkraftskapacitet 47 4.3 Kontroll av samverkanstvärsnittet i SLS 48 4.3.1 Kontroll av spänningar i samverkanstvärsnitt i SLS 48 4.3.2 Kontroll av sprickbredd i samverkanstvärsnittet i SLS 52 4.3.3 Kontroll av nedböjning i samverkanstvärsnittet i SLS 53 Bilaga B, Preliminär dimensionering 2 4.4 Detaljutformning av studs i ULS 54 4.5 Dimensionering av svetsar 56 5 DIMENSIONERING AV UNDERBYGGNAD 58 5.1 Dimensionering av mittstöd 58 5.2 Val av lager 62 Bilaga B, Preliminär dimensionering 3 Nomenklatur Versaler 𝐴𝑖 – Area 𝐴𝑠 – Dragarmeringens tvärsnittsarea 𝐴𝑠𝑖 – En armeringsstångs tvärsnittsarea 𝐴𝑠′ – Tryckarmeringens tvärsnittsarea 𝐸 – Elasticitetsmodul 𝐹 – Kraft 𝐼 – Yttröghetsmoment 𝐿 – Längd 𝑀 – Moment 𝑀𝐸𝑑 – Dimensionerande moment, lasteffekt 𝑀𝑅𝑑 – Dimensionerande momentkapacitet 𝑁 – Normalkraft 𝑃 – Punklast 𝑄𝑖 – Punktlast 𝑅 – Reaktionskraft 𝑅𝐻 – Relativ fuktighet 𝑆 – Statiskt moment 𝑉 – Tvärkraft 𝑉𝐸𝑑 – Dimensionerande tvärkraft, lasteffekt 𝑉𝑅𝑑 – Dimensionerande tvärkraftskapacitet 𝑊𝑝𝑙 – Plastiskt böjmotstånd Gemener 𝑎 – Centrumavstånd mellan armeringsstänger 𝑎 – Svetsens a-mått 𝑏 – Tvärsnittsbredd 𝑏𝑒𝑓𝑓 – Medverkande bredd 𝑏𝑖 – Avstånd skjuvförbindare 𝑐 – Täckskikt betong 𝑐𝑐 – Centrumavstånd armeringsstänger/studs 𝑑 – Avstånd från den tryckta betongens kant till armeringslager 𝑑 – Diameter studs 𝑑𝑔 – Minsta stenstorlek i ballast 𝑒 – Excentricitet 𝑓𝑐𝑑 – Dimensionerande värde för betongens tryckhållfasthet 𝑓𝑐𝑘 – Det karakteristiska värdet för betongens cylindertryckhållfasthet 𝑓𝑐𝑚 – Medelvärdet för betongens cylindertryckhållfasthet 𝑓𝑦𝑑 – Dimensionerande värde för armeringens sträckgräns 𝑓𝑦𝑘 – Det karakteristiska värdet för armeringens sträckgräns ℎ – Tvärsnittshöjd ℎ0– Ekvivalent tjocklek 𝑘 – Faktor 𝑘ℎ– Koefficient krypning 𝑞𝑖– Utbredd last 𝑟 – Radie Bilaga B, Preliminär dimensionering 4 𝑠𝑟,𝑚𝑎𝑥 – Karakteristiskt sprickavstånd 𝑡 – Avstånd till armeringlager 𝑡𝑖– Tjocklek ändavtyvning 𝑢 – Omkrets utsatt för torkning 𝑤𝑖– Sprickbredd betong 𝑥 – Tyngdpunkt av tvärsnitt i tvärled 𝑧 – Tyngdpunkt av tvärsnitt i längdled Övriga 𝛼𝑖 – Reduktionsfaktor last 𝛼 – Faktor för omvandling av ekvivalent tvärsnitt 𝛼𝑒𝑓𝑓 – Värde som beskriver förhållandet mellan betongens och stålets E-moduler β – Koefficient tryckblock 𝛽𝑓𝑐𝑚 – Faktor som tar hänsyn till betongens 𝛽𝑡,0 – Faktor som tar hänsyn till betongens ålder då pålastning sker 𝛽𝑅𝐻 – Faktor som tar hänsyn till relativ fuktighet 𝜀 – Töjning 𝜀𝑐𝑎 – Slutliga värdet på autogen krympning 𝜀𝑐𝑑 – Slutliga värdet på uttorkningskrympning 𝜀𝑐𝑑𝑖 – Grundvärdet på uttorkningskrympning 𝜀𝑐𝑠 – Det slutliga krympmåttet 𝜀𝑐𝑢 – Töjningen i stål vid maximilast 𝜀𝑠 – Töjning i dragarmeringen 𝜀𝑠𝑦 – Armeringens flyttöjning 𝜀′ 𝑠 – Töjning i tryckarmeringen 𝛾𝑐 – Partialkoefficient för betong γi – Partialkoefficient 𝛾𝑠 – Partialkoefficient för stål κτ – Bucklingskoefficient λ – Slankhet λ̅ – Slankhetsparameter 𝜌i – Densitet 𝜑 – Kryptal 𝜑𝑅𝐻 – Faktor som tar hänsyn till relativ fuktighet 𝜑𝑠𝑙𝑢𝑡 – Den slutliga krympningen Ө – Lutning ∅i – Diameter armeringsjärn 𝜏 – Skjuvspänning σ – Spänning ѱi – Korrigeringsfaktor last ѱL – Krypfaktor ständig last 𝑣 – Poissons tal δ – Koefficient Bilaga B, Preliminär dimensionering 5 Bilaga B, Preliminär dimensionering 6 1 Beräkningsgång för laster i tvärled 1.1 Antal lastfält Bron kommer dimensioneras utifrån 5 potentiella lastfält enligt SS-EN-1991-2. Beräkningsmodellerna i Trafikverkets dimensioneringsdokument erhålls genom att anta att varje lastfält är 3 meter brett. Med en brobredd om 17 meter för denna samverkansbro kan 5 hela lastfält placeras ut samt ett lastfält som är 66% av ett fullt lastfält. Laststorlekarna för vardera lastfält erhålls i Tabell 1 i nästa avsnitt där de korrigerade laststorlekarna efter normerna i TRVFS 2011:12 erhålls i Tabell 2. 1.2 Laster för dimensionering i tvärled För att kunna estimera egentyngden hos brobaneplattan samt beläggning har tjockleken 0,3 meter antagits för plattan och 0,1 meter för beläggningen. Kantbalkarna placeras utmed kanterna på broplattan och har geometrin 0,4x0,4 meter. Brons bredd om 17 meter medför att fem lastfält kan appliceras i beräkningsmodellen för LM1 enligt SS-EN 1991-2. Alla laster för analys i tvärled har beräknats utifrån en meterstrimla i längdled där lasterna för respektive lastfält i Tabell 1 korrigeras med α–faktorn i Tabell 2Laststorlekarna för egentyngden beräknas med tungheterna 25kN/m3 och 23 kN/m3 för betongplattan respektive beläggningen. Tabell 1 Laststorlekar för respektive last i beräkningsmodellerna för tvärledsanalys, värdena är tagna från EN 1991–2. Lastnamn Lasttyp Benämning Storlek på laster Egentyngd brobaneplatta Utbredd q1Gk 9,8 kN/m Egentyngd kantbalkar Utbredd q2Gk 10 kN/m Egentyngd räcke Punktlast Q3Gk 0,5 kN Lastfält 1 Utbredd q1k 9 kN/m Lastfält 1, Boggilast Punklast Q1k 150 kN Lastfält 2 Utbredd q2k 2,5 kN/m Lastfält 2, Boggilast Punktlast Q2k 100 kN Resterande lastfält Utbredd q3k 2,5 kN/m Tabell 2 Korrigerade laststorlekar med Trafikverkets anpassningsfaktorer i tabell 7.1 i TRVFS 2011:12. Benämning, lasttyp α-faktorer Storlek α-faktorer (-) Storlek på korrigerad last q1k αq1 0,7 6,3 kN/m Q1k αQ1 0,9 135 kN q2k αq2 1 2,5 kN/m Q2k αQ2 0,9 90 kN q3k αq3 1 2,5 kN/m Bilaga B, Preliminär dimensionering 7 1.3 Filfaktorer Principen med filfaktorer är att bestämma hur stor andel av den totala lasten som en balk bär vid en kritisk lastsituation i tvärled. Filfaktorerna bestäms utifrån det lastfall som ger upphov till den största stödreaktionen i något av stöden där varje lasttyp erhåller en filfaktor. Lastkombinationen delas upp i tre olika lasttyper, utbredda trafiklaster, boggi-laster samt brobaneplattans egentyngd. Figur 1 Överskådlig bild av beräkningsmodell för filfaktorer. Beräkningsmodellen i Figur 1 delas upp i tre olika lasttyper, trafiklast linjelast, trafiklast boggilast samt egentyngd. Separat analys gjordes för varje lasttyp i beräkningsmodellen för att erhålla tre korresponderande filfaktorer till de olika lasttyperna. Filfaktorerna presenteras i Tabell 3. Tabell 3, filfaktorer med krafter framtagna med det finita element-tillägget CALFEM i matlab, se matlabkod i Bilaga C. Laster som analyseras Stödkraft i stöd B [kN] Total pålagd last [kN] Filfaktor Boggilaster 354,4 450 0,788 Utbredd trafiklast 23,4 38,3 0,611 Egentyngd 42,7 174,6 0,245 1.4 Beräkningsmodeller för moment och tvärkraft i tvärled Beräkningmodellernas syfte är att illustrera de olika lastfall som blir dimensionerande för bron med avseende på tvärkraft samt moment. Beräkningsmodellerna utgår från systemmodellen i Kapitel 11 i huvuddelen av rapporten och har således samma randvillkor. Kapitel 1.4.1–1.4.3 avser de värsta tänkbara lastkombinationerna för betongfarbanan i tvärled och kommer användas vid dimensioneringen i tvärled. Analyserna för de olika lastfallen har gjorts med lastkombinationer i brottgräns-, karakteristiskt-, frekvent- och kvasipermanent-tillstånd. Lastfallen utgår från ekvationerna 6.10a, 6.10b, 6.14b, 6.15b samt 6.16a från SS-EN 1990 som redovisas nedan där faktorerna i ekvationerna är de som redovisas i