Ettersom kjøretøy blir tyngre hele verden rundt økes krav til bæreevne av konstruksjoner i offentlige vegnett. I Norge er det i dag spesifikke krav for en oppgradering av mange bruer for å tillate passasje av 60-tonns tømmertransport som standard, og opptil 100 tonns spesialtransport.
Flere av bruene som må forsterkes er stålbjelkebruer som er bygd uten samvirke mellom stålbjelkene og ovenpåliggende betongdekke.
På bruer uten samvirke sitter brudekket på stålbjelkene og distribuerer last fra trafikk til disse, uten å bidra til bærevirkning i bruspennet, men på bruer med samvirke finnes det en mekanisk skjærforbindelse mellom stål- og betongelementene. En slik forbindelse muliggjør en mer effektiv utnyttelse av konstruksjonen uten å kreve mye bruk av nye konstruksjonsmaterialer.
Eksempler på bruer som er bygd uten samvirke er Sagstu og Fidje bruer i Agder fylke. Disse er rundt 30 meter lange, omlag 50 år gamle, i ett spenn. Bruene har dannet en flaskehals for tømmernæringen i Agder. De har, i likhet med mange andre bruer bygd i den perioden, ikke bærekapasitet som tilfredsstiller dagens krav.
En ny metode
Etter vurdering av mulige forsterkningsløsninger og dialog med brueier i Agder fylkeskommune og Statens vegvesen Vegdirektoratet
ble det valgt å forsterke bruene med etablering av samvirke mellom betongplaten og stålbjelkene.
Etablering av samvirke er brukt for forsterkning på noen bruer i Norge tidligere, men aldri med metoden som benyttes for Sagstu og Fidje. Forbindelsen mellom betong og stål skjer ved at man installerer coiled pinner (spiralspennhylser) fra bruas underside. Pinnene jekkes inn, det kreves ikke sveising av stål eller meisling av betong.
Denne pinnemetoden anses å ha fordeler, ikke minst med hensyn til trafikkulemper i anleggsperioden. Alternativet ville være å meisle opp betongen i vegoverflaten og sveise pinner til
toppen av stålbjelkene ovenfra, noe som krever midlertidig stenging av bruen. I tillegg har det vist seg at den nye metoden er konkurransedyktig når det gjelder kostnad, samt at den anses som miljøvennlig da forbruk av ny materiell er ikke stor, vesentlig mindre enn f.eks. ved bruforsterkning med nye stålvinkler på bjelkesteg.
Coiled pins for bruforsterkning
Luleå Tekniska Universitet har en betydelig forskningsinnsats på etablering av samvirke med coiled pins, spesielt i forbindelse med Pitsund bridge i Sverige, hvor Ramboll har prosjektert bruforsterkning. Bortsett fra den bruen, har ikke metoden vært brukt mye for bruforsterkning, og aldri før i Norge. For mer informasjon [1].
Coiled pinner er laget av stålplater som er dreiet 2,25 ganger rundt pinnens sentrale akse. Se figur 2. Før installasjonen er pinnen
bredere enn hullet som den skal installeres til, og det oppnås en tett interferens mellom stål og betong med en radiell fjærkraft når den installeres. Høy nøyaktighet i boring og installasjon er imperativ.
Stor kapasitetsøkning
Sagstu og Fidje er eksempler på bruer som ble bygget i Norge i en tid da designbelastningen var betydelig lavere enn dagens krav. Både bruene har 2 kjørefelt og 2 sveiste platebærere av varierende tverrsnitt. Tabell 1 oppsummerer bruene og prosjektering av forsterkning. Figur 3 viser Fidje bru før forsterkning.
Godkjent prosjektering
Prosjektering av forsterkning er utført elastisk, iht. krav i Statens vegvesen Vegdirektoratet sine forskrifter. Dimensjonerende lastpåvirkning er tilsvarende et 100-tonns kjøretøy i kombinasjon med et 50-tonns kjøretøy på motsatt kjørefelt. Det har vist seg ikke å være tilstrekkelig kun med etablering av samvirke som forsterkningsprinsipp, siden at bruene per i dag ligger så pass langt under krevd kapasitet. Det er derfor i tillegg skrudd nye stålplater til bunnflens av dagens stålbjelker.
I prosjektering av forsterkning har det vært bekreftet at betongdekket på bruene tåler ny påvirkning, medført av samvirket. Styrke på betongen i dekket avgjør beregningsmessig kapasitet til hver pinne. Under godkjenningsfasen av prosjekteringen er det avtalt å legge på en tilleggssikkerhetsfaktor for å tillate usikkerhet knyttet til bruk av en ny forsterkningsmetode. Den resulterende beregningsmessige skjæroverføringskapasiteten til hver pinne er omtrent 70 kN, noe som er vist å være konservativ i forhold til tidligere lastforsøk utført hos Luleå Tekniska Universitet.
Figur 4 viser prosjektert forsterkning på Sagstu bru. Pinner for Sagstu og Fidje er levert av Spirol. De har 20 mm nominell diameter og 160 mm lengde. For forsterkning av disse to bruene er det i alt brukt 900 pinner. Pinnehull er utstøpt med epoksymørtel etter installasjon av pinnene og deretter males det over med et standard behandlingssystem.
Bekreftelse av full funksjon
Som en del av godkjenning av prosjektert forsterkning ble det bestemt å utføre instrumentering og måling av stålbjelkenes sin respons under påføring av kjent last før og etter forsterkning for å bekrefte samvirke med forsterkningen utført. Instrumenteringen og målingene ble utført av et team fra Luleå Tekniska Universitet i januar 2020.
Lastforsøket viser at bruen har en høy grad av samvirke etter forsterkning, hvor stålbjelkene tar strekkspenningene fra bøyepåvirkning i det samvirkende tverrsnittet, og betongdekket står for trykkbelastning.
Videre har det vært observert at slip i overgangen mellom stål og betong var veldig liten, noe som også indikerer et godt samvirke.
Det bør nevnes her at målinger før forsterkning også indikerte et godt samvirke, bl.a. pga. friksjon, men dette kan ikke det tas hensyn til i prosjektering for bruddgrensetilstander. Tilsvarende virkning er observert under lasting og måling av Pitsundsbruen i Sverige.
Potensial for videre anvendelse av metoden
Forsterkningsarbeidene er utført høst og vinter 2019–2020 og de anses som et vellykket prosjekt, og bruene har nå kapasitet tilsvarende det tilstøtende vegnett. Dette er oppnådd på en kostnadseffektiv måte, uten stor materialforbruk og uten vesentlig forstyrrelse av trafikk. Begge disse fordelene er svært gunstige sett fra et karbonavtrykkssynspunkt.
Det er bekreftet at det er fullt mulig å anvende metoden for slike bruer i Norge, og flere stålbjelkebruer kan være kandidater for forsterkning med coiled pinner på det norske vegnettet, samt i andre land.
