Nye, lettere brodekker sprenger grenser

Den nye designen vil innebære betydelig reduksjon både i vekt, materialforbruk og produksjonskostnad. En ekstra bonus er lavere klimagassutslipp, sier Peter Nilsson. Nilsson har nylig oppnådd doktorgrad ved Chalmers tekniska högskola med sin avhandling: «Laser-welded corrugated core steel sandwich bridge decks».

Sandwichplatesystemet

Plater for brodekker på stålbroer har blitt designet likt siden 1970-tallet.

-Tradisjonell design av brodekker i stål har bestått av stålplater forsterket med langsgående trapésformede stivere. For denne tradisjonelle løsningen så kan det være krevende å få til gode sveiser for enkelte av detaljene, og deler av arbeidet må typisk gjøres med manuell sveising.

Produksjonskostnaden for dagens brodekker i stål er høyt på grunn av komplekst sveisearbeid, ikke minst sveisingen til omgivelsene rundt de ortotrope ståldekkene (eksempelvis bjelker). Ikke sjelden har dagens brodekker i tillegg forårsaket utmattingsskader og skader i asfalteringen som fører til omfattende reparasjonsarbeid.

Et mulig neste generasjons stålbrodekke er en lasersveiset stål-sandwichplate. Den består av to flate overflateplater atskilt med en kjerne, denne er også i stål. Flere ulike forskjellige geometrier er mulig for kjernen, og hvilken geometri som er optimal kan variere. Sandwichplatens bøyestivhet og styrke kan skreddersys for å oppfylle spesielle strukturelle krav ved å velge passende tykkelser for sandwichelementene.

- En sandwichplate med korrugert, eller bølgete kjerne er å foretrekke, den vil bære lastene i begge retninger på platen, noe som vanligvis er fordelaktig for broer, forklarer Nilsson.

Gjør det mulig å bygge lettere, lengre broer enn før

-Vi er et forskningsteam hos Chalmers som har gjennomført en casestudie på en åpen bro, resultatene våre viser at sandwichplateløsningen kan føre til 30 prosent reduksjon i materialbruk for broen, og spare 25 prosent av kostnadene. I tillegg til den store reduksjonen av materialer er produksjonsprosessen mer automatisert, sandwichplategeometrien gir en enklere skjøt til omgivelsene i konstruksjonen, sier han. Den nye designen vil egne seg spesielt godt for lange hengebroer, broens egenvekt setter begrensninger for hvor lange broer man kan bygge, men kan vi bygge lettere brodekker betyr det at vi kan bygge lengre broer enn før, forteller Nilsson.

Videre er det også utført en annen casestudie ved Chalmers som har vist at en hel bro kan bygges av stål, med et brodekke bestående av en sandwichplate, og at man kan bygge broen ved hjelp av ferdigmonterte brodekker. 

-Dette gir en interessant løsning med forkortede byggetider for middels lange roer, der vi i dag bygger betongbroer eller såkalte «samarbeidsbroer» som er hovedbjelker i stål og kooperativ malingsplate i betong. Dette er ekstra interessant i urbane områder der byggetider og endringer i trafikken har stor betydning, poengterer Nilsson. Det kan også være attraktivt for tilfeller der en bro helt i stål tidligere ikke var en konkurransedyktig løsning økonomisk sett, sier han.

Dermed indikerer disse studiene  at du kan bruke sandwichplaten til åpne broer og sannsynligvis også for broer med stort spenn med redusert stålmengde og kostnader som et resultat. 

Lasersveising gjør det mulig å velge sandwichplatedesign

- Utmatting eller slitasje er et essensielt aspekt for alle stålbroer, derfor jobber vi også med å undersøke utmattingshastigheten for både rustfritt stål (LDX 2101) og konvensjonelt konstruksjonsstål (S355), gjennom omfattende tester både på et stort antall mindre testlegemer og noen få større plater. Vi håper å kunne teste ut sandwichplateløsningen på en ekte bro i nær framtid, sier Nilsson.

- Resultatene våre så langt viser at sandwichplatedesign kan være løsningen for fremtidens broer, avslutter han. 

Peter Nilsson har oppnådd doktorgrad med avhandlingen: "Laser-welded corrugated core steel sandwich bridge decks". 

 Mer informasjon om Peter Nilssons forskning.

Statens vegvesen er i gang med å bygge verdens første bro bygget ved hjelp av automatisert lasersveising. Verdens første gangbro bygget ved hjelp av lasersveising skal bygges i Åfjord kommune for å teste ut automatisert lasersveising på en fullskala bro. Les artikkelen Statens vegvesen trolig først i verden med å bygge bru ved hjelp av lasersveising.