Dimensjonering av betongdekket til Hamnevegen bru

Abstract

I bacheloroppgaven vår ønsket vi å dimensjonere en betongbru. Etter samtaler med intern veileder i oktober/november 2021, bestemte vi oss for å se på Hamnevegen bru i Verdal, og for å begrense oppgaven har vi valgt å kun dimensjonere betongdekket. Vi ønsket å dimensjonere med både slakkarmering og spennarmering, for å finne den beste løsningen for den valgte konstruksjonen. Planlegging av oppgaven samt nødvendig forarbeid, startet i januar 2022. I mars, etter to måneder med fokus på forarbeid, begynte vi å jobbe med selve oppgaven ved å definere statikken til brua, etterfulgt av å finne ulike relevante lasttilfeller. Vanligvis benyttes et dataprogram, som simulerer ulike lasttilfeller for å finne den verste lastkombinasjonen for konstruksjonen. Siden vi ikke har hatt tilgang til et slikt dataprogram, har nesten alle beregninger blitt gjort for hånd. Unntaket er Focus Konstruksjon – et FEM-program som ble brukt til å modellere utvalgte lasttilfeller for å finne moment- og skjærkraftdiagrammer. Resultatene fra Focus har blitt kontrollregnet for hånd for å verifisere resultatene. Kravene gitt i Eurokode og Statens Vegvesen har endret seg siden brua ble bygget på 1970-tallet. I tillegg har trafikklastene økt, og bygg- og anleggsbransjen har blitt stadig mer digitalisert. I oppgaven vår har vi valgt å kun forholde oss til kravene gitt i Eurokode. Vi har i tillegg gjort flere forenklinger, for å kunne utføre de nødvendige beregningene for hånd. På bakgrunn av dette vil våre resultater avvike noe fra hva man kom frem til på 70-tallet. Som en forenkling, ble betongdekket sett på som to separate og uavhengige bjelker; én i lengderetningen og én i tverretningen. Beregningene av den ene bjelken kunne derfor utføres uten å ta hensyn til den andre. Begge retningene ble kontrollert i både bruddgrensetilstanden og bruksgrensetilstanden, og nødvendig slakkarmering og spennarmering ble beregnet i henhold til kravene gitt i Eurokode 2. For beregningene i bruksgrensetilstanden, dvs. nedbøying, riss og spenninger, ble «Betongkonstruksjoner» av Sørensen brukt som støttelitteratur, i tillegg til Eurokode 2. Basert på beregningene våre, med flere forenklinger, konkluderte vi med at bjelken i lengderetningen burde være spennarmert, mens slakkarmering var det beste alternativet for bjelken i tverretningen. Dette er gunstig fordi man unngår at brudekket blir sterkt overdimensjonert, i tillegg til at det blir enklere å bygge konstruksjonen i praksis, med tanke på at den egentlig er en plate. Beregningene i bruksgrensetilstanden viste at nedbøyingen i to av feltene på bjelken i lengderetningen ikke var innenfor kravene når vi dimensjonerte med slakkarmering. For dimensjonering med spennarmering var maksimal nedbøying innenfor kravene for alle feltene. Rissberegningene var innenfor kravet for slakkarmering, men strekkspenningene var over tillatt verdi. Beregning av spenninger for spennarmering i Stadium I, uopprisset tverrsnitt, viste at strekkspenningene var under maksimalt tillatt verdi. Derfor valgte vi å ikke regne på Stadium II, opprisset tverrsnitt, for å begrense oppgaven. For skjærarmering, valgte vi å bruke skjærbøyler 2ϕ16, selv om beregningene er basert på 2ϕ10, ettersom ϕ16 er mer vanlig å bruke som diameter for brukonstruksjoner. Sluttrapporten gir en mer detaljert beskrivelse av dimensjoneringen av brua, i tillegg til forklaringer på alle forenklingene som har blitt gjort. I slutten av rapporten reflekteres det rundt valgene våre, og på hvilken måte de har påvirket beregningene og resultatene. Dessuten har vi reflektert over hva som kunne blitt gjort annerledes, med tanke på å få et mer nøyaktig resultat. Vi har også nevnt ulike faktorer som har blitt sett bort ifra for å begrense omfanget av oppgaven. Vanligvis er dette faktorer som blir tatt med i beregningene, og derfor har vi inkludert en kort refleksjon over hvilke påvirkninger disse har på oppgaven.

In our bachelor thesis, we wanted to do a structural design of a concrete bridge. After conversations with our internal supervisor in October/November 2021, we decided to go for Hamnevegen bridge in Verdal. To narrow down the thesis, we decided to dimension only the concrete slab of the bridge, but we wanted to do the structural design with both normal and prestressed reinforcement to determine the best alternative for this construction. Planning of the project and necessary preliminary work began in January 2022 and lasted for two months. Then, in March, we started the design process by defining the statics of the construction, followed by studying different relevant load cases. A computer program is usually used for load calculations by simulating different load cases to find the worst combination of loads for the construction. Not having access to this kind of program, all calculations regarding the structural design have been done almost without the help of computer programs. The only exception is Focus Construction – a FEM (finite element method) program used for modelling the selected load cases giving out the bending moment and shear force diagrams. The results from Focus have been verified by manual calculations. The requirements given in Eurocode and by Statens Vegvesen have changed since the bridge was built in the 1970’s, traffic loads have increased, and the construction industry has gone digital. In our thesis, we have chosen to follow only the requirements given in Eurocode. We have, in addition, made various simplifications in order to make it possible to do the necessary calculations by hand. The combination of all these factors may cause differences between our results and the original results from the 70’s. As a simplification, we pictured the concrete slab as two separate and independent beams, one in the longitudinal direction and the other transversal. Calculations of one beam were made regardless of the other. Both the longitudinal and the transversal beam were checked for the ultimate limit state (ULS) and the serviceability limit state (SLS). Necessary reinforcement, both normal and prestressed, was calculated according to the requirements given by Eurocode 2. For the SLS-calculations, i.e. deflection, cracking and stresses, “Betongkonstruksjoner” by Sørensen was frequently used as supporting literature in addition to Eurocode 2. Based on our calculations with multiple simplifications, we concluded that the longitudinal beam should be prestressed, while normal reinforcement was considered the best option for the transversal beam. This is favorable not only to avoid a strongly oversized quantity of reinforcement, but also regarding practical reasons for building the construction, which in reality is a slab. The SLS-calculations showed that the maximum deflection requirement was not satisfied for two of the spans for the longitudinal beam using normal reinforcement, while all the deflection requirements were within the limits for prestressed reinforcement. Cracking was considered within the limits for normal reinforcement, but the tension stresses were above the allowed value. Calculation of stresses for prestressed reinforcement in stage I, uncracked section, proved that the tension stresses were below the maximum allowed value. Therefore, stage II, cracked section, has not been calculated to limit our project. As shear reinforcement, we decided to use shear links 2ϕ16, although the calculations were based on 2ϕ10, since ϕ16 is a more common shear diameter for bridge constructions. The final report presents a more detailed description of the methodical design of the bridge, as well as explanations of all the simplifications that have been made. At the end of the report, we have reflected upon our choices and in what way they have influenced our calculations and results. Furthermore, we have reflected on what could have been done differently in order to get a more precise result. We have also mentioned various factors that have been disregarded to limit our thesis. Normally, these factors would have been taken into consideration. A brief reflection on their influence has therefore been included.