Teglværksbroen et nyt koncept for klapbroer

Transkript

1 Teglværksbroen et nyt koncept for klapbroer Teglholmen og Sluseholmen to øer i Københavns Havn har endelig fået en længe ønsket vejforbindelse. I løbet af de seneste 10 år er der udviklet flere store beboelsesområder på de nu forbundne øer Teglholmen og Sluseholmen. Det har været et længe ønske fra beboerne og andre brugere af området at få de to øer forbundet med en trafikforbindelse, dels for at få ledt trafikken på disse områder mere direkte til hovedtrafikårerne i København og dels for at få samlet området. Den nye bro skulle således være et vigtigt tilskud til den ønskede opgradering af infrastrukturen og samtidigt få reduceret trafikpresset på de omkringliggende veje. økonomisk mest fordelagtige for bygherren, Københavns Kommune. I 2010 kunne man endelig indvie den nye bro mellem Teglholmen og Sluseholmen. Broen er 97 m lang mellem vederlagene på kajanlæggene på de to øer. Mid- Af Kjeld Thomsen, Dir, Civ. ing. ISC Rådgivende Ingeniører A/S kt@isc.dk Christian Riis Pedersen Chef ing. Civ. Ing. ISC Rådgivende Ingeniører A/S crp@isc.dk Indledning Den nye broforbindelse blev udbudt til prækvalifikation i henhold til EU-reglerne i sommeren rådgivende firmaer blev herefter udvalgt til deltagelse i en projektkonkurrence for dette brolink. ISC Rådgivende Ingeniører A/S s forslag for broforbindelsen blev udvalgt som det mest elegante og Figur 2. Plan. 14 TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER

2 Figur 3. Broåbning. Figur 4. Tværsnit i betonfag. Figur 5. Tværsnit i stålfag. terfaget på 19,6 m bredde er anordnet med klapfag. Spændet er valgt for at opnå en fri gennemsejlingsåbning på 15 m. Broens totale bredde er 18,5 m og den indeholder 2 vejbaner, 2 cykelstier, og 2 fortove. De to sidefag omkring klapfaget er henholdsvis 19,1 m og 19,6 m. Broens bærende konstruktion i sidefagene er udført i forspændt beton. Klapfaget er exceptionelt i forhold til tidligere udformning af klapbroer, idet det mekaniske system, som er udformet med hydrauliske ankerstag, er integreret i broens konstruktive system. Klapfaget er udformet i stål som en kassedragerbro med orthotrope ståldæk. Denne kassedrager er forsynet med trekantsformede overbygninger med en topkote 6 m over brodækket. Disse trekantformede konstruktioner er forbundet med ankerstag i form af hydrauliske cylindere, som er fastgjort i toppen af trekantskonstruktionen og derudover ved vederlaget for betonkonstruktionen i det næste fag, ca. 17 m fra klapfagets rotationsleje. De forspændte betonfag er understøttede på kajens endevederlag og på to sæt søjleunderstøtninger, der er placeret henholdsvis 19,1 m og 38,7 m ude fra kajsiden. Disse søjler er udformede som cirkulære rustfri stålrør, som efterfølgende er fyldt med armeringsnet og beton. Disse rør er videre indført i en større betonfyldte stålrør, der er boret ned i køberhavnerkalken. Geometrien i den trekantede konstruktion er afpasset meget nøje for at sikre stabiliteten i systemet, når de hydrauliske cylindre er trukket helt sammen, og brodækket er i lodret position og udsat for fuld vindlast. Broens kontroltårn er placeret diskret et stykke fra klapbroen ud for mellemunderstøtningen for sidefaget. Kontroltårnet er forbundet via en kort adgangsbro for at give adgang til driftspersonalet. Broens åbning opereres fra et kontrolrum, der styrer alle trafiksystemerne og det hydrauliske system, som trækker broen op i lodret position, således at den fulde åbning etableres. Klapbroen med den triangulære form vil markere en fin skulptur over vandet som vil være synlig på lang afstand. Overbygningen afspejler indtrykket af et skibs sejl, som gør broen til en naturlig figur i de maritime omgivelser. Flere forhold bør fremhæves for denne broforbindelse. 1. Integration af en hydraulisk stang i den triangulære struktur for klapbroen har vist sig at være en både økonomisk og funktionel sund udformning. 2. Den særlige løsning der er valgt for funderingen af broens søjler på grund af den lave bæreevne af de øvre jordlag. Styrken af det underliggende kalklag øges med dybden. Disse kalklag er typiske for den største del af København. Denne kalk er for hård til at drive pæle i, og derfor er der anvendt en løsning med borede huller til pælene i kalken. 3. De eksisterende kajvægge havde ikke kapacitet til at understøtte broenderne. Derfor er der rammet en spunsvæg foran den eksisterende kaj. Denne spunsvæg er forankret ved nedborede ankre i jordbunden bag spunsvæggene. 4. Det var et fundamentalt klientkrav, at der blev taget særlig hensyn til miljøet, og der var meget konkrete krav til at sikre en begrænset støj fra trafik på broen på grund af de tætliggende boligarealer. Normgrundlag På det tidspunkt, hvor broen skulle projekteres, var de europæiske standarder for brodesign endnu ikke godkendt for anvendelse i Danmark. Derfor har de danske normer været grundlag for design af broen. Imidlertid har de europæiske standarder i den foreløbige udgave i en vis udstrækning været anvendt, hvor de danske normer ikke dækkede et aktuelt emne. Lastforudsætningerne i normerne er suppleret med Vejdirektoratets regler for vejbroer. Med hensyn til TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER 15

3 de mekaniske og hydrauliske installationer er de baseret på danske normer suppleret med EU regler, der dækker området. Bortset fra trafiklasten er broen naturligvis påvirket af vindlast, islast samt skibsstød. Vindlasten har haft særlig stor indflydelse på påvirkningen af klapfaget og de hydrauliske stænger ikke mindst i åben tilstand, og sikring af der ikke opstår hvirvelafløsning og optræder autovibrationer. Stålkonstruktionen i klapfaget er projekteret ved anvendelse af S355 stål for den primære konstruktion og anvendt i den kvalitetsklasse, som er krævet afhængig af placering i konstruktion. Betonkvaliteten i betonspændene har en karakteristisk styrke på 40 MPa. Denne betonstyrke er også anvendt til pælefunderingen. Armeringsstålet, der er anvendt,har en karakteristisk flydespænding på 550 MPa. Der er samlet anvendt 23 forspændingskabler opbygget hver af 13 strands. Konstruktionssystem Brosystemet over den 97 m brede kanal består af 2 betonfag på hver side af et 19,6 m bredt centralt placeret fag for gennemsejlingsåbning. Betonfagene er på hver side fastholdt i en spunsvægskonstruktion bygget foran de eksisterende kajer på grund af ukendskab til disse delvist nedbrudte kajers evne til at optage horisontal last. Selve klapfaget inklusive fendersystem for skibe efterlader en 15 m fri åbning for skibsfarten. Klapfaget som er udført i stål, har en overbygning af to trekantformede strukturer som er fastsvejst til brodækket, der har en total længde på 17,3 m. I toppen af de triangulære konstruktioner er to hydrauliske stænger befæstet med ankerfastholdelse i betondækket ved den næste betonunderstøtning. Disse hydrauliske stænger vil kun være aktive, når klapfaget åbnes. I den lukkede tilstand for broen vil brodækket i klapfaget være simpelt understøttet på mindre udkragede ender af betonsidefagene i midterspændet. Aksial last i broens længderetning overføres gennem fastholdelse af betondækkene i spunsvæggene ved kajkanterne. Betondækket er yderligere indspændt i mellemunderstøtning og understøtning ved klapfag. Skibsstød, der er fastsat til kun 100 ton vinkelret på broen, afspejler, at der forudsættes nedsat hastighed for skibene i den smalle kanal. Klapfaget der også skal optage 100 ton i skibsstød, overfører dette til klappens rotationslejer og et leje, der er anordnet i modsat ende af klappen for optagelse af vandret last. Betonfag Brotværsnittet er 23,1 m bredt på det meste af længden også for betonfagene, men de udvider sig i broende mod Sluseholmen af hensyn til indfletning. Betonens overflade følger brotværsnittets geometri generelt. Broens underside er vandret, men bliver faset af mod broens kanter fra de 800 mm højde af betonbroen til 330 mm ved kantbjælken. Betonpladen er efterspændt med 23 langsgående kabler med passive forankringer tæt ved mellemunderstøtningen. Opspændingen af kablerne er udført fra broens Figur 6. Åben bro. Figur 7. Detalje rotationsleje. ender. Betonbrofagene er derudover armeret med kamstål såvel i længderetning som i tværretning. Der er udført en membranisolering af betonoverfladen i overensstemmelse med Vejdirektoratets regler og derudover pålagt 90 mm asfaltslidflade ovenpå membranen. Klapfag Stålbrodæk Stålbrodækkets tværsnit er identisk med betontværsnittet i sidefagene for at opnå 16 TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER

4 en æstetisk tilfredsstillende løsning. Stålkassedrageren er udført som en monoboks. Dækbelægningen på klapfaget består af et tyndt epoxylag, og derfor er højden af ståltværsnittet øget til 900 mm, således at den totale højde passer med betontværsnittet. Epoxybelægningen bevirker naturligvis et væsentlig lettere klapfag end ved anvendelse af asfalt. Dermed reduceres de kræfter, der skal aktiveres i de hydrauliske nakkebarduner for at løfte klapfaget. Brodækket er projekteret som et orthotropt dæk med langsgående trapezformede afstivninger. Der er anordnet tværskot pr. 3,6 m. Afstivningen mod foldning af bundpladen i kassetværsnittet er udført med bulbjern. Klapfaget er som helhed beregnet for en levetid under hensyntagen til udmattelse på 100 år. 5Korrosionssikringen af den indvendige del af kassen er sikret med et affugtningsanlæg der er således ikke malet indvendigt i kassetværsnittet. Figur 8. Detalje befæstelse af hydraulikstang. Løftesystem De to plane triangulære systemer med en indbyrdes afstand på 8 m består af svejste kasseprofiler. De hydrauliske nakkebarduner er dornforbundet til toppen af den triangulære konstruktion og tilsvarende ved forankringen i nabobetonfaget. De hydrauliske stænger er følsomme over for autovibrationer fra vindlast. For at forhindre resonans fra hvirvelafsløsning er der anordnet et hydraulisk dæmpesystem, som er fastgjort tæt ved forankringen i betonfaget. Samlingerne i toppen af den triangulære konstruktion og ved forankringen er udformet med sfæriske dornlejer. Tilsvarende er rotationslejerne for brodækket udformet på denne måde. I den fjernere ende af klapfaget er etableret elastomere neoprenlejer i understøtningslinjen. Centralt i klapfagskonstruktionen er der ligeledes etableret et leje til optagelse af de horisontale belastninger vinkelret på broretningen. Mekanisk system Den hydraulisk opererede stang, der aktiveres ved åbning af klapfaget, er i stand til i den åbne position at optage både træk- og trykkræfter. Dette er nødvendigt på grund af den store vindbelastning på den åbne broflade. Det hydrauliske system er dimensioneret til at modstå en maksimal karakteristisk vindlast på 15m/sek. i middel over 10 min, 10 m over vandoverfladen. Figur 9. Udsnit - kontroltårn. Kontroltårn Broens kontroltårn er placeret ud for den sydøstlige ende af broen. Afstanden fra kontroltårnets centerlinje til kanten af broen TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER 17

5 er 7,7 m, således er der en klar adskillelse mellem bro og tårn. Kontroltårnsafstanden er samtidigt valgt under hensyntagen til en minimering af de hydrauliske ledningsforbindelser i løftestængerne for klapfaget. Kontroltårnet er bygget i 3 etager, hvor den underste etage er under vandoverfladen. Indgangsniveauet og topdækket, hvor kontrolpanelet er anordnet, tillader et overblik over både trafikken på brobanen og navigation igennem klapfagets åbning. De to øverste etager er projekteret som et stålskelet med let facadebeklædning af rustfrit stål. Den vandtætte betoncaisson, Figur 10. Fundering. der er understøttet på en monopæl, indeholder de mekaniske, de elektriske og de hydrauliske installationer. Betoncaissonen rummer yderligere en olieopsamlingstank i tilfælde af brud på det hydrauliske ledningssystem. Monopælen, der understøtter kontroltårnet, er boret ned i kalken og faststøbt til kalklaget på samme måde som søjlerne, der understøtter broen. Fundamenter og endevederlag Den 100 år gamle eksisterende kajkonstruktion har en ikke veldefinerbar restbæreevne. Det blev derfor besluttet, at anordne en ny kajkonstruktion med rammede spunsjern ca. 1,5 m foran den gamle kaj. Mellemrummet mellem den gamle kaj og den nye spunsvægkonstruktion blev derefter fyldt op med grovbeton. På toppen af spunsvæggen er der udstøbt et hammerhoved, der igen blev forbundet med den gamle betonvæg. Det nye hammerhoved udgør endevederlag for betonfaget og er også understøtning for den aflastningsplade, der bliver støbt bagved endevederlaget mod den eksisterende vej. Den nye spunsvægskonstruktion er for oven fastholdt af Ø63,5 mm ankre nedboret i kalken under 45 o. Ankerlængden er 13,5 m. Spunsvægskonstruktionen er korrosionsbeskyttet med katodisk beskyttelse. Spunsjernene er i øvrigt rammet ca. 4 m ned i kalklaget. Søjlerne, der udgør mellemunderstøtninger for betonbroen, er konstrueret som en to-sektionsløsning. Den nederste sektion består af en Ø1500 mm rør, der er boret ca. 1,5 m ned i kalklaget, der ligger ca. 1,5 m under havbunden. Inden i dette foringsrør er der boret ca. 9 m ned i kalklaget, og der er installeret et armeringsnet og udstøbt med beton til en højde på ca. 4 m under vandoverfladen. Inde i det Ø1500 mm store rør er der herefter monteret et Ø813 mm rør i rustfrit stål udstøbt med beton. Mellemrummet mellem det store og det lille rør er tilsvarende udstøbt med beton. Denne konstruktion sikrer, at søjlerne bliver indspændt i kalklaget. De rustfri søjler er foroven i brokonstruktionen tilsvarende indspændt og indstøbt i betonbrodækket. De rustfri rørsøjler, der udgør understøtningen for klapfaget, er endvidere forsynet med fenderværker, der skal optage stød fra de gennemsejlende skibe. Monopælen til kontroltårnet er opbygget på analog måde, men her er de rør, der er indboret 1,5 m ned i kalklaget, forbundet direkte med bundpladen i det betonkammer, der huser maskineri til broen og danner understøtning for de overliggende etager i kontroltårnet. Miljøforhold For at kravene til miljøsikring blev overholdt i forbindelse med broens etablering, både over og under vandoverfladen, er afløb udformet således, at alt overfladevand fra broen passerer gennem kulfiltre, der er anbragt bag endevederlagene, før det ledes ud i afløbssystemet. Evt. oliespild fra det hydrauliske system ledes direkte til oliespildtank, der er placeret i kontroltårnets underste etage. Udførelse Der blev inviteret til prækvalifikation på udførelse af broen blandt entreprenører i juni 18 TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER

6 entreprenører blev prækvalificeret til at afgive tilbud på hele broanlægget. Tilbuddene blev modtaget af bygherren i august Efter evaluering overdrog Københavns Kommune kontrakten for bygning af broanlægget til en dansk hovedentreprenør. Udgravningsarbejder blev påbegyndt den 22. januar Hele stålkonstruktionen blev leveret på pladsen den 16. august 2010, og klapfaget samt vejbanen blev færdiggjort i oktober Hele broanlægget blev afleveret til bygherren og indviet den 22. januar 2011 en måned før tidsplanen. Broen blev åbnet for trafik den samme dag. 5For information om lignende hydrauliske klap- og svingbroer projekteret af ISC Rådgivende Ingeniører A/S henvises til ref Klient: Københavns Kommune Entreprenører: CG Jensen A/S Totalrådgivere: ISC Rådgivende Ingeniører A/S Arkitekt/æstetiske rådgiver: Hvidt Arkitekter A/S Referencer: [1] SEI 3/1998 Swing Bridge across a navigation canal, Denmark. [2] IABSE 34th IABSE Symposium, Venedig, Italien, September 22-24, 2010, Odins Bro over Odense Kanal. [3] SEI, 3/2004 Opera broer, København, Danmark. < Figur 11. Vederlag. TRAFIK & VEJE 2012 OKTOBER 19