Der er endvidere givet en anbefaling af en fremtidig reparationsstrategi samt et budgetestimat for gennemførelse af anbefalede reparationer.

Transkript

1 FREDERIKSBROEN Projekt Assistance vedr. strategi for Frederiksbro Kunde Svendborg Kommune Dato Til Fra Bo Nislev, Svendborg Kommune Kim Obel Nielsen, Rambøll Thomas Madsen, Rambøll Jan Vig Nielsen, Rambøll Bent Grelk, Rambøll 1. Indhold På baggrund af det i afsnit 2 nævnte grundlag har Rambøll lavet en vurdering af skadesårsag og tilstand for mellemunderstøtningernes pæle, samt udført en bæreevnescreening for disse. Der er endvidere givet en anbefaling af en fremtidig reparationsstrategi samt et budgetestimat for gennemførelse af anbefalede reparationer. Dato Rambøll Hannemanns Allé 53 DK-2300 København S T F Grundlag Følgende materiale danner grundlag: 1. Frederiksbroen, betonpæle Betonundersøgelser, datarapport, dateret Maj 2003 udarbejdet af COWI. 2. Frederiksbroen Klassificering, dateret februar 1998 udarbejdet af COWI 3. Resumé af dykkerundersøgelser af Frederiksbro, Svendborg, dateret 6. april 2003 udarbejdet af Frank Larsen, Nordic Marine 3. Forudsætninger Det forudsættes at overbygning og strømpiller er renoveret og har tilstrækkelige bæreevne iht. klassificeringen fra Der udføres derfor ingen tilstandsvurdering af disse konstruktionsdele og fokuseres primært på pæleunderstøtningerne. 4. Konstruktionsbeskrivelse Broen er bygget omkring Broen har tre fag med spændvidderne 7,5 m - 10,0 m - 7,5 m. 1/5 Rambøll Danmark A/S CVR NR Medlem af FRI

2 Overbygningen består af en ca. 13 cm tyk betonplade, der bæres af 9 længdedragere, der er kontinuerte over de tre fag. Derudover haves tværbjælker, der ligger vinkelret på længdedragerne. Bredden af broen er ca. 12 m, hvoraf kørebanen udgør 5,5 m. Udover endeunderstøtningerne har broen to strømpiller, som hver er understøttet af 13 betonpæle. I nyere tid er de 2 x 13 betonpæle blevet omstøbt. Yderligere information om konstruktionen kan findes via tegningsmaterialet og klassificeringen. 5. Skades- og tilstandsvurdering af betonpæle 5.1 Armeringen På baggrund af det granskede arkivmateriale konstateres: På flere af betonpælene er der registreret betonafskalninger og observeret svær korrosion af pælenes lodrette armering som lokalt er gennemtæret. Det er registreret, at armeringens dæklagstykkelse lokalt varierer ned til ca. 10 mm. Tæring af armering er konstateret i varierende dybder. Der er ingen steder registreret tæring af armering ved alle fire hjørner af en betonpæl. Det vurderes, at armeringens tilstand med stor sandsynlighed varierer væsentligt og tæringen er lokalt forceret pga. ringe dæklag. Med det nuværende grundlag er det svært at vurdere det egentlige omfang af den generelle tæring. 5.2 Beton Ved en gennemgang af de udførte betonanalyser vurderes følgende: Betonens kvalitet er rimelig god, idet der er tale om en beton med lavt v/c-tal, sunde/gode tilslagsmaterialer (er tilsyneladende ikke AKR-farlig), men er dog potentiel frostfarlig. Betonens tilstand er med undtagelse af en ca. 10 mm dyb overfladezone rimelig god, dvs. er næsten intakt i dybder > 10 mm. I de yderste typisk 0-10 mm - er betonen mere eller mindre nedbrudt og revnet, primært pga. havvandspåvirkninger/sulfatangreb og udludning. I den intakte del af betonen/kernerne må styrken - på baggrund af v/c-forholdet og lave luftindhold - skønnes at være > 30 MPa, måske tilmed endnu højere (> 40 MPa.). En fortsat nedbrydning af betonen må forventes at ske langsomt primært pga. havvandspåvirkninger og i det omfang, der er risiko for frost-tø påvirkninger (forekommer dog næppe ved vanddybder > ½ meter). 5.3 Reparation omstøbning af betonpæle Der er i nyere tid gennemført en omstøbning af pælene, som sandsynligvis er udført som en uarmeret omkringstøbning. Den egentlige årsag til gennemførelse af reparationen og valg af reparationsmetode er ikke kendt. 2/ _05_L001_Ver1_Frederiksbroen.Docx

3 Den omkringstøbte beton er dog flere steder begyndt at revne og afskalle på trods af den relative unge alder. Rambøll har kigget på en prøve som blev udtaget fra broens pæle d. 24/ fra omkringstøbningen og reparationsbetonen synes umiddelbart at være sund. Der er tydelige tegn på, at den omkringstøbte beton har haft dårlig vedhæftning til den eksisterende beton hvilket kan være den primære årsag til de skader der er observeret på den omkringstøbte beton. 6. Bæreevnescreening og udbedringsbehov Af klassificeringen fremgår det, at broen har nedenstående klasser. Tabel 1: Broklasser Normal passage Betinget passage Type 1 Type 2 Type 3 Klasse 60 Klasse 60 Klasse 100 Klasse 100 Der findes ikke anledning til yderligere beregninger af broens overbygning. Underbygningen er ikke nævnt i klassificeringen, og det fremgår ikke, om der er regnet med to lastbaner på kørebanens bredde på 5,5 m eller kun én. Som følge af at underbygningen ikke er omtalt, må det antages, at COWI i 1998 har vurderet, at pælenes bæreevne ikke har været kritisk ift. ovenstående klassificering. Derfor er der udført et overslag på pælenes bæreevne for en belastning svarende til klassificeringsresultatet. Der tages udgangspunkt i de tidligere udførte betonanalyser og oplyste dimensioner uden bidrag fra den nævnte reparation "omstøbning af betonpæle". Screeningen af pælenes bæreevne viser, at bæreevnen er tilstrækkelig. Beregningen er vedlagt som bilag. Af beregningerne fremgår det, at pælenes bæreevne er meget følsom ift. tværsnitsreduktioner, idet udnyttelsesgraden forøges fra ca. 65 % til 90 % for hhv. intakt tværsnit og et tværsnit, hvor de yderste 15 mm beton ikke benyttes (270 x 270 mm tværsnit). Dette skyldes, at pælene under mellemunderstøtningerne står frit i vandet, hvorved søjlevirkning skal undersøges. Dette betyder ligeledes, at konstruktionens robusthed er lille. Der er ikke medtaget armering i beregningen, idet den generelle tæring er ukendt. Dette er dog formentligt på den sikre side. Det bemærkes, at nyttelasten udgør ca. 60 % af den regningsmæssige belastning på pælene, og at Svendborg Kommune selv kan regulere passage af køretøjer, der overskrider færdselslovens bestemmelser omkring totalvægt og akseltryk. Derved kan belastningen på pælene nedsættes væsentligt om nødvendigt. 3/ _05_L001_Ver1_Frederiksbroen.Docx

4 7. Reparationsforslag Den anbefalede reparationsmetode ved aktuelle problemstilling er en omstøbning af de individuelle pæle. Det vigtigste for at sikre god kvalitet omstøbning er grundig rengøring af pælen (konstruktionsbeton). Al begroning, stærkt nedbrudt/dårlig beton (yderste 0-10 mm), løst materiale, skidt og rust skal spules og evt. mekanisk fjernes inden omstøbning. Rengøringen bør gennemføres umiddelbart inden støbningen. Formen kan udføres af stål eller eks. glasfiber, for lettere håndtering. Det bør overvejes at efterlade formen som en permanent del af reparation i tidsvandzonen, hvor den kan medvirke til at reducere skader pga. frost-tø. Under tidevandszonen er effekten begrænset, og vil forhindre fremtidig inspektion. Armeringsnet bør anvendes uanset om det er statisk nødvendigt. Undervandsstøbning udføres typisk ved tremie metoden, men aktuelt vurderes injektion, indpumpning via ventiler monteret på formen, som mere velegnet metode. Pga. støbehøjden skal der formentlig anvendes flere ventiler i højden, som aktiveres efterhånden som overfladen på den udstøbte beton stiger over ventilåbningen. Tremie-metoden vil stadig være en god løsning, men vil kræve, at formens størrelse øges for at have plads til pumperøret. Det vurderes dog at arbejdsforholdene klart gør injektion til den foretrukne løsning. Udstøbningen bør gennemføres med pumpbar undervandsbeton med miljøkvalitet ekstra aggressiv. Beton proportioneres til den aktuelle støbning, og det kan undersøges om tilsætning af anti-washout er nødvendigt. Aktuelt vurderes det ikke relevant. Inden detailplanlægning af reparation gennemføres, bør eksisterende omstøbning undersøges nærmere for kortlægning af omfang og årsag til mangelfuld vedhæftning. Med baggrund i tilgængeligt materiale er omstøbningen gennemført i form med udstøbning af Conbextra, som er en cement baseret reparationsmørtel tilsat anti-washout additiver. Det bemærkes at tilsætning af antiwashout additive gør grouten mere klæg og viskos, men stadig flydende, og principielt muliggør en almindelig støbning under vand med frit faldende beton gennem vand, hvilket dog ikke anbefales. Der foreligger en mulighed for fibertilsætning dels for at øge styrken, men også for at kompensere for svind og temperatur revner. Endvidere er det muligt at at ind-lime armering i eksist. betonpæle for at øge vedhæftning. Endvidere kan der anvendes særlige vandtætte fuger i top og bund af støbning, så åbningen til støbeskellet reduceres. Den vurdering bør gennemføres i forbindelse med kortlægning af årsagen til manglerne i eksisterende omstøbning. En omstøbning skal sandsynligvis udføres i 500 x 500 mm for at sikre dæklag til armeringsnet, beton samt tolerancer. Inkl. afrensning af pæle vurderes det, at en omstøbning af de 26 pæle vil kunne udføres for ca. mio. 3,3 kr. ekskl. moms. Det bemærkes at overslaget er vurderes at have en høj usikkerhed, skønnet +/- 50 %. Projektet er særlig i sin karakter 4/ _05_L001_Ver1_Frederiksbroen.Docx

5 og tilbud fra entreprenører forventes også at have betydelig spredning. Følgende forudsætninger er taget: Forventet dykkertid pr. pæl, inkl. 50 % spildtid ca. 38 timer til fjerne omstøbning, højtryksrensning af pæle, montere armering og forskalling, støbning samt afforskalling. Denne omkostning udgør ca. 60 % af overslag og har stor betydning. Dårligt beton antages at kunne fjernes ved højtryksrensning. Stipuleret til rådgivning og uforudsete, henholdsvis ca. 10 % og ca. 15 % af entreprenøromkostning. Der forventes i alt 4 stk. forskallingssystemer anvendt, så omstøbning af 4 stk. pæle udføres pr. gang. 8. Konklusion og anbefaling På baggrund af de tilgængelige informationer vurderes det, at den eksisterende konstruktionsbeton i pælene er rimelig god og med undtagelse af de yderste ca. 10 mm er tilstanden ligeledes god. Den fortsatte nedbrydning forventes derfor at være langsom. Den gennemførte bæreevnescreening er udført med fokus på broens pæleunderstøtninger, da bæreevnen af disse ikke er belyst i tidligere klassificering. Det vurderes umiddelbart, at pælenes bæreevne er tilstrækkelig i forhold til de klasser som klassificeringen i 1998 er udført efter. Det pointeres dog, at designet med fritstående pæle betyder, at pælene er sårbare overfor søjlevirkning og at konstruktionen ikke vurderes at være særlig robust. En ændring af det forudsatte tværsnit, kan derfor have væsentlige konsekvenser for broens bæreevne som helhed. Det vurderes, at pælenes tværsnit som udgangspunkt er væsentlige i forhold til søjlevirkning i pælene, hvilket kan forklare, at man tidligere har valgt at omstøbe dem. Det vurderes derfor, at en omstøbning af pælene vil være den korrekte løsning for at udbedre nuværende skader og mindske risikoen for svigt pga. søjlevirkning i pælene. En omstøbning skal udføres med armeringsnet og det anbefales at reparationen gennemføres ved injektion med pumpbar undervandsbeton med miljøkvalitet ekstra aggressiv. Reparationen estimeres at koste ca. 3,3 millioner kr. ekskl. moms, men prisestimatet er forbundet med store usikkerheder +/- 50 %. Den anbefalede reparation anbefales udført indenfor ca. 5 år for at sikre robustheden af konstruktionen, men fremtidsplanerne for brugen af broen bør tages i betragtning. Det er samtidig muligt, at man på baggrund af et bedre kenskab til det nuværende skadesomfang kan fastsætte et mere præcist tidspunkt for gennemførelse af reparationen og evt. afgrænse omfanget af denne. Det anbefales derfor, at der forud for reparationen udføres et grundigt eftersyn af eksisterende omstøbning, som skal undersøges nærmere for kortlægning af omfang og årsag til mangelfuld vedhæftning. Ved eftersynet kan det evt. vælges at fjerne eksisterende løs omstøbt beton, så nedbrydningsarbejde begrænses ved gennemførelse af reparationen. På baggrund af eftersynet kan tidspunktet for reparationen evt. udskydes, såfremt tilstanden af samtlige pæle vurderes at være bedre end ventet. 5/ _05_L001_Ver1_Frederiksbroen.Docx

6 SIDE 1 AF 5 Svendborg Kommune Bæreevnescreening af pæle Ver. C SAG NR: UDFØRT: JAVN Frederiksbro: Overslag på pælene bæreevne Bæreevnen af pælene under mellemunderstøtningerne undersøges. Pælenes tilstand er vurderet i tilhørende notat. I det følgende beregnes og vurderes trykspændingerne i betonen. Derudover gennemses arkivmaterialet for tidligere beregninger. Beskrivelse af broen mv. Broen er bygget omkring Broen har tre fag med spændvidderne 7,5 m - 10,0 m - 7,5 m. Overbygningen består af en ca. 13 cm tyk betonplade, der bæres af 9 længdedragere, der er kontinuerte over de tre fag. Derudover haves tværbjælker, der ligger vinkelret på længdedragerne. Bredden af broen er ca. 12 m, hvoraf kørebanen udgør 5,5 m. Iht. COWI notat d. 18. sep 1997 er den projekteret for et to akslet køretøj med akseltryk på 8 ton og en akselafstand på 3 m samt en jævnt fordelt last på 500 kg/m^3. Se desuden samme notat, samt senere klassificeringsresume fra februar 1998 for yderligere info. Af ovennævnte klassificeringsresume fremgår det, at broen har klasserne [NK, B1, B2, B3] = [60,60,100,100]. I resuméet er underbygningen ikke nævnt, og det fremgår ikke, om der er regnet med to lastbaner på kørebanens bredde på 5,5 m eller kun én. Som følge af at underbygningen ikke er omtalt af COWI, antages det, at COWI i 1998 har vurderet, at pælenes bæreevne ikke har været kritisk ift. ovenstående klassificering. Derfor screenes pælenes bæreevne i det følgende for en belastning svarende til klassificeringsresultatet. P:\BRO_VED\2013\ _Svendborg_assistance_vedr_Frederiksbro\09-Diverse beregninger\overslag på bæreevne af pæle\

7 SIDE 2 AF 5 Svendborg Kommune Bæreevnescreening af pæle Ver. C SAG NR: UDFØRT: JAVN Permanente laster Egenvægten under kørebanen beregnes pr. længdedrager. bel 23 kn c 25 kn m 3 m 3 (c-c afstand mellem b ld 110cm 30cm b længdedragere under kørebane) ld 1.40m g bel 25cm b ld bel (belægning og reparationsbeton) g bel 8.1 kn m g pl 13cm b ld c (egenvægt af plade) g pl 4.6 kn m g ld 30cm ( 80cm 13cm) c g td 1.1m ( 50cm 13cm) 7 25 c (egenvægt af længdedragere; forøgelse af tværsnit nær ustn negligeres) (egenvægt af tværbjælker; 7 stk over længden på 25 m fordeles jævnt) g ld 5.0 kn m g td 2.85 kn m g alt g bel g pl g ld g td (egenvægt i alt) g alt 20.5 kn m Køretøjsbelastning Indledningvist benyttes kl. 100 køretøjet (uden stødtillæg) svarende til B2, idet dette vurderes at være kritisk i forhold til klassificeringens resultater; altså mere kritisk end klasse 60 inkl. stødfaktor. Reaktioner Karak. perm. last: Karak. KL 100: P:\BRO_VED\2013\ _Svendborg_assistance_vedr_Frederiksbro\09-Diverse beregninger\overslag på bæreevne af pæle\

8 SIDE 3 AF 5 Svendborg Kommune Bæreevnescreening af pæle Ver. C SAG NR: UDFØRT: JAVN Det ses, at den samlede reaktion i begge tilfælde stemmer overens med belastningen. Den samlede regningsmæssige reaktion, idet perm. last fra 3 længdedrageres opland medtages, bliver K FI 1.1 R G_Ed 3 K FI 201kN R G_Ed 663 kn R KL100_Ed K FI kN R KL100_Ed 1016 kn R Ed R G_Ed R KL100_Ed R Ed 1680 kn Spænding i pæle Den ovenstående reaktion fordeles skønmæssigt til n pæle. n pæle 5 Dertil kommer egenvægt af strømpillen. Pr. pæl (i alt 13) haves omtrent: 12.3m 1m G pille 1.1m 50cm ( ) kn 25 G pille 12 kn 13 m 3 Belastningen negligeres i det følgende. Dermed bliver den regningsmæssige belastning pr. pæl ca: R pæl_ed R Ed 336 kn n pæle Pælenes tværsnit er 30 cm x 30 cm. Betontrykspændingen i et intakt tværsnit bliver dermed: R pæl_ed! c_ed 30cm 30cm! c_ed 3.7 MPa Betontrykspændningen pr. pæl er altså relativt lav. Med reduceret tværsnit svarende til, at dæklaget, dvs. ca. de yderste 15 mm af betonen ikke benyttes, fås: R pæl_ed! c_ed_2 27cm 27cm! c_ed_2 4.6 MPa Det er i tilhørende notat vurderet, at tilstanden af betonen er rimelig god i dybder > 10 mm og næsten intakt. P:\BRO_VED\2013\ _Svendborg_assistance_vedr_Frederiksbro\09-Diverse beregninger\overslag på bæreevne af pæle\

9 SIDE 4 AF 5 Svendborg Kommune Bæreevnescreening af pæle Ver. C SAG NR: UDFØRT: JAVN Bæreevne Bæreevnen af pælene kontrolleres, idet søjlevirkning medtages. Betonstyrken for overbygningen er iht. COWI materiale lig 15MPa (Beton 1:2,5:3,5 inkl. styrkeudvikling) " c 1.45 f cd 10 MPa " c Bemærk at der kan være benyttet en anden beton til pælene. Dette kan undersøges i arkivmaterialet om nødvendigt. Det skønnes desuden i tilhørende notat, at middeltrykstyrken f cm > 30 MPa, dvs. > 22 MPa. På den sikre side benyttes = 15 MPa i det følgende. Længden af pælene skønnes til ca. 6,5 m ud fra forholdsmåling på tegningsmaterialet. l 0 6.5m A c 30cm 30cm (regnes fastholdt mod flytninger i begge ender) (intakt tværsnit) i cm ( 30cm )3 87 mm A c (inertiradius) l 0 A c f cd # 75 > # lim i R Ed 2. ordens effekter kan som forventet ikke negligeres. For en uarmeret søjle er den kritiske betonspænding ca. lig E c0k MPa 27 GPa 13MPa 0.75 E c0k E 0crd min 1000 f cd " c 10 GPa f cd! crd 1 $ 2 E 0crd l 0 i 2! crd 5.7 MPa Bemærk, at der på den sikre side ikke medtaget nogen armering i beregningen, idet omfanget af den generelle tæring er ukendt. P:\BRO_VED\2013\ _Svendborg_assistance_vedr_Frederiksbro\09-Diverse beregninger\overslag på bæreevne af pæle\

10 SIDE 5 AF 5 Svendborg Kommune Bæreevnescreening af pæle Ver. C SAG NR: UDFØRT: JAVN Med det reducerede tværsnit, hvor de yderste 15 mm beton ikke benyttes, fås: A c 27cm 27cm i cm ( 27cm )3 78 mm A c (inertiradius) E c0k MPa 27 GPa 13MPa 0.75 E c0k E 0crd min 1000 f cd " c 10 GPa f cd! crd 1 $ 2 E 0crd l 0 i 2! crd 5.1 MPa Konklusion Der er beregnet en regningsmæssig betontrykspænding på ca. 3,7 MPa i pælene fra perm. last og kritisk placering af et KL 100 køretøj uden stødtillæg fordelt over 5 pæle. Den kritiske spænding for pælene, idet søjlevirkning betragtes og de konservativt regnes uarmerede, bliver ca. 5,7 MPa, idet der forudsættes intakt tværsnit og en betonstyrke på = 15 MPa svarende til, hvad der haves for overbygningen iht. COWI's materiale. Benyttes et reduceret betontværsnit på 27 cm x 27 cm forøges den regningsmæssige betontrykspænding til ca. 4,6 MPa og den kritiske spænding bliver ca. 5,1 MPa. Det fremgår altså af ovenstående overslag, at pælenes bæreevne er tilstrækkelig, såfremt forudsætningerne er korrekte. Det fremgår ligeledes, at pælenes bæreevne er meget følsom ift. tværsnitsreduktioner, idet udnyttelsesgraden forøges fra ca. 65 % til 90 % for hhv. intakt tværsnit og et tværsnit, hvor de yderste 15 mm beton ikke benyttes. Derudover må det påpeges, at underbygningen har ringe robusthed pga. dens udformning. Det bemærkes, at belastningen fra KL100 køretøjet udgør ca. 60 % af den regningsmæssige belastning på pælene, og at Svendborg Kommune selv kan regulere passage af køretøjer, der overskrider færdselslovens bestemmelser omkring totalvægt og akseltryk. Derved kan betontrykspændingerne nedsættes væsentligt om nødvendigt. P:\BRO_VED\2013\ _Svendborg_assistance_vedr_Frederiksbro\09-Diverse beregninger\overslag på bæreevne af pæle\