31/12/2018 Hva har skjedd etter oppføring av Norges første kompositt bru i Fredrikstad i 2003? Presentert av Dr.ing. Alf Egil Jensen Polymerdagene 2009,

Presentasjon om: "31/12/2018 Hva har skjedd etter oppføring av Norges første kompositt bru i Fredrikstad i 2003? Presentert av Dr.ing. Alf Egil Jensen Polymerdagene 2009,"— Utskrift av presentasjonen:

1 31/12/2018 Hva har skjedd etter oppføring av Norges første kompositt bru i Fredrikstad i 2003? Presentert av Dr.ing. Alf Egil Jensen Polymerdagene 2009, 5. november, Gardermoen 31/12/2018

2 FiReCo AS 8 ansatte (2 Dr. Ing, 5 M.Sc. og 1 sekretær)
31/12/2018 FiReCo AS 8 ansatte (2 Dr. Ing, 5 M.Sc. og 1 sekretær) Lokalisert i Fredrikstad Snart 20 års erfaring innen: FEM analyser av store lastbærende konstruksjoner i komposittmaterialer (Eks. Marinefartøy, Offshore og seismikk konstruksjoner, Bølge- og vindkraft installasjoner, infrastruktur og kjøretøy) Materialtesting og kvalifisering, Evaluering og etablering av designparametre brannbeskyttelse og brannresistens knyttet til komposittmaterialer Deltar i FoU program nasjonalt og internasjonalt (Euclid, Thales, Agard, Bondship, Nordsandwich, Europa.... ) 31/12/2018

3 31/12/2018 Div. eksempler 31/12/2018

4 Skjold-klasse MTB Verft: Umoe Mandal as FiReCo AS har utført :
31/12/2018 Skjold-klasse MTB Verft: Umoe Mandal as FiReCo AS har utført : Styrkeberegning Vekt optimalisering - Lineær og ikke lineær analyse Blast & sjokk analyser 31/12/2018

5 Bevegelig og prefabrikkert klaffebru, 60m spenn
31/12/2018 Bevegelig og prefabrikkert klaffebru, 60m spenn FiReCo AS: Designunderlag, FEM analyse & Styrke-beregninger, samt byggeoppfølging av komposittklaffene. Materialer: Karbon- og glassfiber. Balsa og PVC kjerne. Varmekabler Vekt av en klaff inkl. løftesylinder ca. 20tonn. Installert på 1 arbeidsdag. Pris to stk. klaffer ca. 5mill NOK . Foto: Jon Hermansen 31/12/2018

6 Komposittbrukonstruksjon
31/12/2018 Komposittbrukonstruksjon Bevegelige klaffer Transparente sidevegger 31/12/2018

7 31/12/2018 Hva har skjedd etter 2003? Gjennomført en mulighetsstudie med en gangbru over en firefelts motorvei. (Samarbeid med Vegdirektoratet og Plastinnovasjon Østfold) . Tre hovedbærekonsepter ble analysert Materialvalg og konsepter Kostnadsoverslag Utarbeidet et utkast til et tillegg til bru standardene som omhandler FRP komposittmaterialer. Designkrav Materialkrav Produksjons- og oppføringskrav Budsjett mulighetsstudie: NOK (50% egenfinansiering, 50% Innovasjon Norge) Et utkast til et pilotprosjekt for oppføring av en kjørebru. Foreløpig lagt på is grunnet finansiering/omorganisering Oppstart i løpet av 2010? 31/12/2018

8 Mulighetsstudie kompositt bru - Brukonsepter
31/12/2018 Mulighetsstudie kompositt bru - Brukonsepter Tre konsepter er analysert Lukket kassedrager Lukket rør med innvendig gangbane Buebru Tre alt. dekkekonfigurasjoner er foreslått 1 Rent sandwich dekke 2 Korrugert dekke (Single skin) 3 Sandwich dekke med slitelag i lettbetong 31/12/2018

9 Forutsetninger Fri høyde og bredde over 4 felts motorvei er:
31/12/2018 Forutsetninger Fri høyde og bredde over 4 felts motorvei er: Bruspenn 40m Gang- og sykkel bru Tillatt for kjøretøy (Brøyting, vedlikehold eller nødstilfelle) 29m 5,7m 31/12/2018

10 Preliminært designunderlag
31/12/2018 Preliminært designunderlag Statisk1) G1 4kPa flatelast G2 To hjulpar (sporbredde =1.8m) med en akselavstand = 3.0m. Aksellast på hhv. 60kN og 30kN G3 Hjullast på 30kN på en flate med bredde = 300mm og lengde = 200mm Full trafikklast og egenvekt (anti-symmetrisk og torsjon) Dynamisk2) Fundamentalfrekvensen, f > 5.0Hz Global nedbøyning1) dMaks < Spennlengde/350 (Full trafikklast (4kPa) og egenvekt) Kilde: 1) Håndbøker Statens Vegvesen 2) Egendefinert krav 31/12/2018

11 3 hovedbærekonsepter Kassedrager Buebru med gangbane
31/12/2018 3 hovedbærekonsepter Kassedrager Buebru med gangbane Rør med innvendig gangbane 31/12/2018

12 Alternative dekkeløsninger
31/12/2018 Alternative dekkeløsninger 1. RENT SANDWICH DEKKE 2. KORRUGERT DEKKE GLASSFIBER LAMINATER 3. SANDWICH DEKKE MED LETTBETONG SLITELAG 31/12/2018

13 31/12/2018 Brudekke Hovedutfordringen for et komposittdekke er punktlaster, for eksempel fra ett hjul eller et hjulpar. Spesielt interlaminær skjærspenning blir styrende når det gjelder styrke- og vektoptimalisering. Sandwich paneler Lateral skjærkapasitet til div. kjernekvaliteter: tBrudd MPa Rene laminater Lateral skjærkapasitet til fiberlaminater: tBrudd MPa 31/12/2018

14 Hjullast gangbruer Forskrifter Hjulavtrykk Kraft B=300mm
31/12/2018 Hjullast gangbruer Forskrifter Hjulavtrykk Kraft B=300mm Statens Vegvesen L=200mm F=30kN B=200mm Vägverket, Broar 94 (Brøytekjøretøy) Eurocode, ENV (Ulykkeslast) L=200mm F=40kN B=100mm Punktlast - Eurocode, ENV1991-3 L=100mm F=10kN 31/12/2018

15 Kritisk hjullast t F B Dekke Sandwich plate eller ren laminatplate L
31/12/2018 Kritisk hjullast F B Dekke Sandwich plate eller ren laminatplate t L Hjulavtrykk Skott tmin = ? Punktlaster, som angitt i standardene, er ikke tilpasset dette lasttilfellet. Det må utarbeides et tilleggskrav for anvendelse på komposittdekker som tar hensyn til lokale trykkvariasjoner (F. eks. feil hjultrykk). 31/12/2018

16 Korrugert dekke Topp plate Steg Flens t L L h b 1 t 4 t 3 t 2
31/12/2018 Korrugert dekke L L h b Topp plate t 1 t 4 t Steg 3 t 2 Flens 31/12/2018

17 Minimumstykkelser Forskrift 79mm 17mm 9mm 106mm 23mm 12mm 53mm 48mm
31/12/2018 Minimumstykkelser Forskrift Balsa-kjerne (250kg/m3) i sandwich, tmin Korrugert dekke Glassfiberlaminat, (L >200mm), t1 (L  200mm), t1 Statens vegvesen 79mm 17mm 9mm Broar 94 Eurocode 106mm 23mm 12mm Eurocode (Punktlast) 53mm (Føringsbredde mindre enn 2.5m og F=18kN) 48mm 11mm 5mm 31/12/2018

18 Egenfrekvens og resonans
31/12/2018 Egenfrekvens og resonans For lette og stive brukonstruksjoner Økt trafikkbelastning (økt modal masse) medføre at egenfrekvensen avtar, mens dempning vil øke noe. Frekvensforholdet endrer seg slik at den dynamiske forstørrelsesfaktoren øker. Dette kan gi opphav til ubehagelige svingninger av brua ved harmonisk eksitasjon fra gående. Forventningsverdi for gangfrekvens er ca. 2Hz. Økende belastning (FRP) Økende belastning (Bruer i Stål og betong) 2.0Hz/5.0Hz fPåtrykt/fEgen 31/12/2018

19 Oppsummering 40m hovedbæresystemer
31/12/2018 Oppsummering 40m hovedbæresystemer Konsepter Nettovekt [Kg] Maks. Nedbøyning (Krav 114 mm) [mm] Egensvingeformer (Krav f > 5.0Hz) Materialutnyttelse FPF 1.5/LPF 3.3 1. Sideveis [Hz] 1. Vertikale 1. torsjon Kassedrager (Dekke 1) 7650 112 5.5 5.1 13 OK! Kassedrager (Dekke 2) 12100 62 5.0 5.4 12 Rør m. Single skin-vegger (Dekke 1) 8700 73 6.0 5.7 >15 Rør m. Sandwich-vegger (Dekke 1) 8550 77 Buebru (Dekke 2) 13295 30 6.7 10 Buebru (Dekke 3) 24000 26 6.1 5.3 >11 ----- 31/12/2018

20 Eksempler med både karbon- og glassfiber armering
31/12/2018 Eksempler med både karbon- og glassfiber armering For kassedragerkonseptet ble ensrettet glassarmering i lengderetningen erstattet med karbonfiber (T-700) for bunnflensen. Resultatene viser hvor effektivt karbonarmering kan være når både lav vekt og høy stivhet er ønskelig. Konsepter Nettovekt [Kg] Kassedrager (Dekke 1) 7650 Karbonfiber i bunn 6900 Kassedrager (Dekke 2) 12100 8600 31/12/2018

21 Material- og produksjonskostnader
31/12/2018 Material- og produksjonskostnader Kostnadsoverslag (Utarbeidet i samarbeid med Biobe AS) Vektgrunnlag = 115% av nettovekt fra FEM modell Antatt budsjettpris på en ferdig brukonstruksjon er 125NOK/kg for ferdig produsert GRP komposittmaterialer og 30NOK/kg for ferdig sveist stål. (2007 priser) Inkluderer ikke kostnader knyttet til rekkverk, slitebelegg, drenering og belysning Kostnader til konstruksjonsdetaljer i forbindelse med opplagring er meget usikre Konsepter GRP vekt ]tonn] Material- og Produksjonskostnad Pris pr. m2 dekke Kassedrager (K2) 13.9 1.8mill NOK* NOK* Rørtverrsnitt 10.0 1.6mill NOK* NOK* Buebru 14.5 1.9mill NOK* 15 900 NOK* * 2007 priser Resultat: NOK/m2 – 16000NOK/m2 dekkeareal 31/12/2018

22 Material- og produksjonskostnader, forts.
31/12/2018 Material- og produksjonskostnader, forts. Vegdirektoratet opererer med følgende ”tommelfinger” priser: Kosteffektiv gangbru uten krav til utseende og med relativt kort spenn: Pris i størrelsesorden 10-15 000NOK pr. m2 brudekke*. Påkostede gangbruprosjekter med krav til utseende og/eller teknisk krevende løsninger: Pris i størrelsesorden 20-25 000NOK pr. m2 brudekke*. Resultatene viser at FRP komposittbruer har et kommersielt potensial på lik linje med stål-, betong- og trebruer. TIL INFO: Bevegelig komposittklaffer til gangbru i Fredrikstad: NOK pr. m2 brudekke. Konsepter GRP vekt ]tonn] Material- og Produksjonskostnad Pris pr. m2 dekke Kassedrager (K2) 13.9 1.8mill NOK* NOK* Rørtverrsnitt 10.0 1.6mill NOK* NOK* Buebru 14.5 1.9mill NOK* 15 900 NOK* * 2007 priser 31/12/2018

23 Utkast til en designbasis for komposittmaterialer i bruer
31/12/2018 Utkast til en designbasis for komposittmaterialer i bruer Den første delen gir en presentasjon av gjeldende praksis for laster, lastfaktorer og lastkombinasjoner for dimensjonering bruer, etterfulgt av en tilpassning av gjeldende praksis, slik at den også omfatter bruer bygget i FRP komposittmaterialer. Den andre delen gir en oversikt over komposittspesifikke momenter og faktorer knyttet til: Kvalitetskontroll av råmaterialer Kvalitetskontroll av prosess- og produksjonsteknikker Kvalitetssjekk og kontroll under selve produksjons- og byggefasen Det finnes, pr. dags dato, ingen allment godkjent standarder for komposittbruer som dekker disse områdene under ett. Krav og forskrifter må hentes fra forskjellige standarder (Offshore, Hurtigbåt, osv..) 31/12/2018

24 31/12/2018 31/12/2018

25 Videre arbeid (Status)
31/12/2018 Videre arbeid (Status) Ønsker å gjennomføre et pilotprosjekt for en kjørebru, der planlegging og prosjektering ikke utføres under vanlige anbudsregler, men av partene i felleskap. Deltakere: FiReCo AS, SelcoTek AS, Sintef, NKS, Norsk komposittforbund, Borg Plastnett, Vegdirektoratet, Jernbaneverket ?,….. Ønsker å inkludere en arkitekt/designer og en utbygger (f. eks. Skanska, Mesta, Veidekke, osv..). Ønsker å tallfeste kostnadspotensialet som en komposittløsning har for totalprosjektet. Med bakgrunn i den utgitte designbasisen utarbeides det en brunorm som også inkludere FRP komposittmaterialer. (I samarbeid med Vegdirektoratet og Jernbaneverket?). 31/12/2018