Brandangersundbrua – utfordrende design og montering

Brandangersundbrua – utfordrende design og monteringav dr. ing. Rolf Magne Larssenfra Dr. Ing. A. Aas-Jakobsen ASPresentasjon på Norsk Ståldag 201028. oktober 2010

Hva?• Brukryssing med nettverksbue• Hovedspenn 220 m• Totalt 285 m brulengde

Hvor?

Hvor?

Hvor?BrostedByggeplass hovedspenn

Nettverksbue, hva er det?• Enkel bue• Bue med vertikale stag• Bue med skrå stag• Nettverksbue

Tre utforminger av samme bru

Effekt av nettverksutforming – knekkformKnekking av bue• Kritisk knekkform endres drastisk• For 1.0 egenvekt blir knekkfaktor forde tre ”nettverkene” som følger:• 1.57• 1.65• 6.40• Elastisk knekklast er altså 4 gangerstørre for nettverksbuen enn for deandre utformingeneSystemknekking• Vil variere ut fra randbetingelser, bådei plan og ut av plan• For de to øvre utformingene erknekking i planet dominerende,nettverksbuen har mer likhet mellomknekkfaktorene

Effekt av nettverksutforming – BelastningEgenvekt• Aksialkraft i bue omtrent lik• Momenter i bue hhv. 14 og 9 gangerstørre for vertikale og skrå stag enn fornettverk• Momenter i brubane hhv. 7 og 6ganger større for vertikale og skrå stagenn for nettverkPunktlast midt i spenn• Aksialkraft i bue omtrent lik• Momenter i bue 12 ganger større forvertikale stag enn for nettverk, skråstag av samme størrelsesorden• Momenter i brubane 4 ganger størrefor vertikale stag enn for nettverk, skråstag gir noe mindre momenter

Brandangersundet

ProsjekteringsforutsetningerVegstandard• Trafikkgrunnlag er begrenset, ÅDT (årsdøgntrafikk) i dag 128, om 20 årestimert til 270• Gir krav til vegbredde på kun 4 m, inkl 2 x 0.5m skulder, møtesikt 138m,stoppsikt 64mBelastning• Vindlast er kanalisert langs fjorden• Muligheter for lavturbulent vind – virvelavløsning• Begrenset skipstrafikk i sundet, seilåpnning på 18x50 mFundamentering• Fast fjell ved alle akser• Kraftig fall på fjellet under vannlinjen

Utforming

UtformingDimensjoner• Lengder: Hovedspenn 220 m,Sidespenn 30 og 35 m,• Bredder: Kjørebanebredde hovedspenn 5.0 mMaterialerTotalbredde brudekke i hovedspenn7.6 mSenteravstand mellom buer 7.2 m• Buer: Rørprofil med dimensjon OD 700 mmtykkelse 40 mm, lokalt øket til 50 og 60 mm• Hengestenger: Spiralslåtte lukkede kabler meddiam. 42 mm• Bruplate: Forspent betongMengder, hovedspenn• Stål 383 tonn• Hengestenger inkl kabelhoder: 24 tonn• Kjørebane, betong 1455 ton• Total vekt hovedspenn 1862 ton (ved løft)Sidespenn• Kjørebane, søyler landkar og fundamenter i betong

UtformingUtforming av bue• Spennvidde 220 m, pilhøyde 33 m• Avstand mellom buer er 7.2 m• Tverrsnitt er rør Ø 711 mm,tykkelse 40 til 60 mm• Stål S420N/NLVindfagverk• Tverrsnitt er rør Ø 250 mm,tykkelse 5 mm• Stål S355NVindportal• Tverrsnitt er rør Ø 611 mm,tykkelse 40 mm• Stål S355NHengestenger• Spiralslåtte lukkede kabler• Diameter Ø 42 mm• Benytter 44 stenger i hvert bueplanKjørebane hovedspenn• Forspent betong• 200-400 mm tykk• 5.0 m bred kjørebane, ett spor

ProsjektoversiktAktører:• Byggherre: Statens vegvesen, Region vest• Rådgivende ingeniør, byggeteknikk: Dr. ing. A. Aas-Jakobsen AS• Kontroll stålarbeider for byggherre: Inspecta (ØstTech)• Entreprenør: Skanska• Underentreprenør stål: HSM Steel Structures,Nederland• Underentreprenør løfting: Smit Heavy Lift, NederlandProsjektfaser• Oppstart prosjektering 2006• Anbud ut mars 2009• Byggestart august 2009• Bruåpning 4. november 2010

Utfordringer ved konstruksjon av en nettverksbuebru• Utforming av hovedspenn– Utforming av bue– Utforming av vindfagverk– Utforming av nettverk• Bestemmelse av lastvirkninger– Knekking– Vindlast og vindrespons– Effekt av slakke hengestenger• Montasje av hovedspenn– Montasje av bue– Etablering av riktig form– Transport og montasje påbrusted

Dimensjonering for knekking• Slank bærekonstruksjon gjør knekksikkerheten viktig• Knekkanalyse må baseres på systemknekking og ikke stavknekking• Knekkdimensjonering basert på en 2.ordens lastvirkningsberegning sominkluderer effekt av– geometriske avvik– effekt av egenspenninger• Beregning fordrer angivelse av kritisk formfeil, dvs.– form– størrelse• Formene bestemmes fra elastisk knekkanalyse, egenverdianalyse• Størrelse ut fra forhold mellom buelengdeS og en parameter D avhengig av tverrsnitt-klasse, med øvre og nedre begrensning:Semin e0 emaxD(benyttet klasse b ,e max =335, e min =100, D=125)

Dimensjonering for knekking• Knekkberegning gjennomført for to lastregimer– Last vesentlig i vertikalplanet (trafikklast)– Last vesentlig i horisontalplanet (vindlast)• Elastiske knekkformer beregnet og mellom 30 og 40 former benyttet som utgangspunktfor formfeil (for hvert lastregime)• Formfeilamplitude beregnet som beskrevet foran• Lastvirkningsanalyser gjennomført for alle formfeil• Utnyttelse beregnet ut fra ren spenningskontroll

URURKnekking av bue – Resultater• Last vesentlig i vertikalplanet(trafikklast)– Uten formfeil UR max = 0.65– Med formfeil UR max = 0.9410.90.80.70.60.50.40.30.20.10600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700Element nr• Last vesentlig i horisontalplanet(vindlast)– Uten formfeil UR max = 0.75– Med formfeil UR max = 0.9510.90.80.70.60.50.40.30.20.10600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700Element nr

Horr. forskyvning buetopp [m]Vertikal forskyvning buetopp [m]Knekking av bue – Ikke-lineær kontroll• Beregning forutsetter lineær-elastisk oppførselav konstruksjon• Gjennomført en ikke-lineær analyse for et settav lastsituasjoner som gir stor utnyttelse i delineære analysene• Skrittvis tidsplan analyse der både 2. ordenseffekt og eliminasjon av eventuelle slakkehengestenger inkluderes• Begge typer analyse viser at buen selv omden er meget slank har en tilfredsstillendeknekksikkerhet– Den ikke-lineære analysen viser at buekonstruksjonen tåler mer enn 2.5 gangernormert belastning (der normert last erlast som definert av prosjekteringsreglerinklusiv lastfaktorer)• Begrensende element er følgelig bruplatensom på vanlig måte er armert til å bærenormert belastning.0 1 2 3 4 5 60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1-0.200.20.40.60.81Sikkerhetsfaktor SFUten formfeilMed formfeilMin kraftUten formfeilMed formfeil1.21.40 1 2 3 4 5 6Sikkerhetsfaktor SF

Montasje• Meget rask oppstartmed forskaling ogproduksjon av buefot• Buefot i verksted i startseptember 2009• Buefot på plass iSløvågen tidlig i oktober• Brubane støpt uke 43-48

Montasje• Rørproduksjon i Tyskland• Sammensveising til elementer iNederland

Montasje• Oppspenning av bruplate ihovedspenn i uke 51, 2009• Kryp• Svinn• Transport av bue til Sløvågen• Oppstart montasje i slutten avapril• Bue oppmontert i midt av mai• Montasje av hengestenger i juni• Oppspenning i juli, fase 1

Montasje

Montasje

Montasje

Montasje

Transport

Transport

Transport

Transport

Transport

Transport

Transport

Transport

Konklusjon• Brandangersundet har fått en lett og lekker nettverksbuebru!• Ekstrem slank brukonstruksjonen, 220 m hovedspenn med kun7.2 m mellom stagplanene og kun 711 mm diameter på buegurt,– verdens slankeste?• Nettverksbuebruen gir en effektiv kombinasjon av stål og betongsom byggematerialer• Konseptet gir en optimal løsning basert på kombinasjon avtradisjonelle elementer i en ny sammensetning• Et spennende brukonsept med store utfordringer iprosjekteringsarbeidet og byggearbeidet som er vellykketgjennomført i et godt samarbeid mellom byggherre,konsulent og entreprenør

Takk for oppmerksomheten !