Lättviktslösningar för robotiserad produktion av broar och byggnadsverk med stora spännvidder

Aktuellt, Konstruktion
Projektet LIGHTSPAN som finansierades av Vinnova-LIGHTer genomfördes med deltagande av 12 partners under åren 2021-2023. Målet för projektet var att utveckla nya lättviktslösningar som möjliggör robotiserad produktion av gång- och cykelbroar och takkonstruktioner med stora spännvidder. Detta för att kunna nå kortade byggtider, minskat spill, sänka energiförbrukning och kostnad, samt reducera CO2 utsläpp. Även ökad hållbarhet, mer optimalt materialutnyttjande och en ökad kvalitet blir möjligt att nå när största delen av tillverkningen sker robotiserat, i fabrik under kontrollerade förhållanden. Ett annat mål med projektet var att undersöka möjligheterna med att optimera konventionella brolösningar med avseende på materialåtgång, produktionskostnader och livscykelkostnader.

Design och optimering av konventionellt brokoncept

GC-broar med spännvidder 15-40 m görs oftast med parallella fackverk som huvudbärverk och en ortotrop platta som brofarbana, med eller utan tvärbalkar. Rörprofiler används för huvudfackverken, och nästan allt svetsarbete i bron utförs manuellt. Som regel används konstruktionsstål S355 i hela bron.

Figur 1: Konventionell stålfackverksbro med rörprofiler och ortotrop brobaneplatta med kanalavstyvningar.

Konventionella brokoncept utvärderades i början av projektet i syfte att:

  • Erhålla en detaljerad bild av material, produktion och livscykelkostnader för konventionella koncept – vad som är kostnadsdrivande i dessa broar och potential att optimera med avseende på dessa kostnader.
  • Undersöka potentialen att använda andra ståltyper än S355 och hur dessa presterar i syfte att förbättra investerings- och livscykelkostnad.
  • Studera vilken potential det finns för att med optimeringsrutiner erhålla mer kostnadseffektiva lösningar för konventionella brokoncept.

Slutligen syftar dessa beräkningar till att ta fram detaljerade underlag som kan användas vid utvärdering av nya koncept som utvecklas i projektet.

För denna del av arbetet har parametriska dimensionerings- och optimeringsverktyg tagits fram. Dimensioneringen – som omfattar så väl huvudfackverken som brobaneplattan – använder sig av resultaten av en FE-lösare och följer dimensioneringsreglarna i gällande Eurokoder. Kontrollerna innefattar krav i brott- och bruksgränstillstånd (inklusive dynamisk respons).

Till analys- och dimensioneringsdelen kopplas en GA-optimering (Genetic Algorithm optimization) som används för att uppnå optimala lösningar för givna förutsättningar (t.ex. brospann och -bredd, ståltyp och hållfasthet Optimeringen leds av ett antal bivillkor (constraints) som ser till att erhållen optimal lösning uppfyller givna krav. Dessa kan vara strukturella, med avseende på bärförmåga, stabilitet, komfort eller sådana som är relaterade till produktion, t.ex. svetsning, målning, etc.  GA-optimeringen använder sig av ett antal målfunktioner (objective functions) för att utvärdera olika lösningar. I detta sammanhang kan optimeringen göras med avseende på vikt (materialkostnader), Investeringskostnader (material & produktion) eller livscykelkostnader (med beaktande av underhållskostnader över brons livslängd).

Följande parametrar i huvudfackverken är mål för optimeringen:

  1. Avstånd mellan fackverkets knutpunkter
  2. Fackverkets höjd vid stöd
  3. Pilhöjd (rak eller krökt överramstång)
  4. Profiler för överram, underram och diagonaler i fackverket
Figur 2: Illustration av resultat från optimeringsanalys.

Exempel av resultat från optimeringsverktyg

Ett set av randvillkor avser fackverkets topologi. Till exempel får vinkeln mellan diagonal och underramstång inte vara lägre än 30 grader. Maximal pilhöjd är också satt till ett givet värde (0,15 x brospan – brohöjd vid stöd). Dessutom sätts ett antal bivillkor utgående från kraven för utformning av knutpunkter mellan rörprofiler i EN 1993-1-8 (t.ex. tabell 7.8 och 7.12). Brofarbanan (en ortotrop platta) dimensioneras för varje enskild bro och ingår därför inte i detta optimeringsarbete.

Figur 3:

Antaganden för beräkning av material- och produktionskostnader

Materialkostnader beräknades utgående från gällande marknadspriser vid fjärde kvartalet 2022. Dessa redovisas i tabellen nedan viktade mot priset för S355. Materialkostnaden för rörprofiler i huvudfackverken är beräknad med beaktande av spill vid produktion (utgående från elementlängd och med antagande av 12,0 m levererade längder). För brofarbanan antas en ”spillfaktor” vid produktion av 10%.

Tabell 1: materialpriser [kr/kg] viktade mot priser för stål S355.

MaterialPlåtRör
S3551,001,00
S4601,151,15
Q6901,251,25
D21012,504,16
W5001,501,70

Kostnad för fotplåt, räcke (per meter bro) och beläggning (per m2 brobaneplatta) medtas också i kostnadsberäkningen, men andra kostnader såsom transport och grundläggning tas inte med då dessa är brospecifika.

Kostnaderna för produktion av huvudfackverken och brobaneplatta är erhållna efter samtal med två broproducerande verkstäder i Sverige. En tämligen detaljerad kostnadsuppskattning kan göras med följande kostnadsposter beaktade:

  • Skärning/kapning av plåt och rörprofiler
  • Kantslipning till P3 inför målning
  • Kostnad för svetsarbete för käl- och stumsvetsar, det senare inkluderar fogberedning
  • Kostnad för NDT-provning av svetsar
  • Blästring och målning (C-Mn stål) och betning (rostfritt stål)
  • Verkstadsmontage

Dessa kostnader beräknas med relativt hög detaljnivå. Kostnader för svetsning, till exempel, utgår från svetsens a-mått eller plåttjocklek för käl- respektive stumsvetsar (som i sin tur ger antal svetssträngar) samt svetslängd och därmed ”svetstid”. Olika faktorer används för att reflektera tidsåtgång för mer eller mindre komplexa svetsförband (t.ex. svetsar mellan rörprofiler och de mellan plåtar i brobaneplattan).

Benchmark- och fallstudier

Dimensionerings- och optimeringsverktyget verifierades först mot 4 valda GC-broar, alla med fackverkskonstruktion. Broarna hade spännvidder och brobredd som varierade mellan 13 och 30 m respektive 3 och 4,5 m. Förutom att verifiera beräkningsverktyget syftade fallstudier till att undersöka vilka optimala lösningar som verktyget kan producera (t.ex. i form av material- eller kostnadsbesparing) och om den optimala lösningen påverkas av val av målfunktion (vikt, investeringskostnad eller livscykelkostnad).

Exempel av de resultaten som erhölls för en av fallstudiebroarna anges nedan (spännvidd = 23 m, Brobredd = 3,05 m och stål S355). Material och produktionskostnaderna står för ca 50% av totala broinvesteringen. Målningskostnaden utgör ca 25% medan resterande 25% fördelas mellan beläggning (17%) och broräcke (8%).

Figur 4: Olika brokomponenters andel av total investeringskostnad.

En mer detaljerad bild av kostnadsfördelningen för samma bro anges i Figur 4. Den ortotropa brofarbanan står för mer än 40% av den totala investeringskostnaden med nästan lika stora bidrag från material, produktion och målning. Motsvarande andel i de övriga tre fallstudierna varierade mellan 40 och 50%. Detta visar klart att brodäcklösningar som leder till lägre material- och produktionskostnader kan bidra till betydande besparing i brons totala investeringskostnad.

Målningskostnaderna står för ca 23% av totala brokostnaden och är i princip lika stora för fackverken som för brobaneplattan. Detta pekade också på en potential för väderbeständigt eller rostfritt stål.

Figur 5: Kostnadsallokering för fallstudiebro (L = 23 m, B=3,05) med S355 och kallformade rör.

I jämförelse med ursprunglig design resulterade optimeringen i fackverkslösning som har 45% respektive 39% lägre material och produktionskostnader. Brobaneplattan var i princip opåverkad i den nya designen. Den höga kostnaden som blästring och målning innebär för hela brokostnaden resulterade i att optimeringen (med mål att minimera investeringskostnaden) gav lösningar med profiler som minimerar målningsytan (samtidigt som de uppfyller alla andra bivillkor). Målningskostnaderna kunde därför reduceras med ca 29%. I helhet resulterade optimeringen i en lösning som hade ca 15% lägre investeringskostnad för denna bro. För de övriga tre fallstudierna låg samma siffra mellan 7 och 18%.

I frågan om kallformade vs varmvalsade rör så visar optimeringen att det senare gav i det studerade fallet ca 3% högre total investeringskostnad. Medan en något lägre vikt kunde uppnås för huvudfackverken, resulterade det högre kilopriset (faktor 1,36) i ett högre totalpris.

Tabell 2: Designkostnad per del ursprunglig resp optimerad S355, kkr

DelKostnad – ursprunglig design [kkr]Kostnad – optimerad S355 [kkr]
  
Fackverk 
Material7945
Produktion8351
Summa16296
  
Brobaneplatta (ortotrop)178 
Material10398
Produktion7574
Summa178172
  
Montage fackverk-brodäck2625
  
Övriga kostnader 
målning226162
NDT2323
Beläggning113113
Broräcke material99
Broräcke – produktion3838
Summa408345
 

*Kostnadsberäkningarna baserar sig på offentliga listpriser. Kostnadsbilden kan variera över tid och är även beroende av vilka prisavtal respektive organisation förhandlat fram.

Parameterstudie

De fyra fallstudierna användes sedan i en parameterstudie för att jämföra optimerade brolösningar med olika ståltyper och -hållfasthetsklasser. I termer av vikt, gav stålen med högre hållfasthet (S460, S690 och Duplex) marginell viktbesparing (< 5%). Detta, då dimensioneringen av många element i bron styrs av stabilitet (global- eller lokalbuckling). Väderbeständigt stål (W500) gav i princip samma vikt som S355 då en rostmån läggs till på godstjocklekar för denna ståltyp.

Figur 6 visar total investeringskostnad för alla 4 fallstudier viktad mot broar tillverkade i S355. Resultaten är mycket konsekventa oavsett brospann och -bredd. Väderbeständigt stål ger den lägsta investeringskostnaden som är ca 15% lägre jämfört med målat S355 och S690. Däremot resulterar LDX2101 i en investeringskostnad som är 35% högre än S355.

Figur 6: Kostnadsjämförelse mellan olika ståltyper gällande investeringskostnad och livscykelkostnad.

Målningskostnaderna för fackverk och brofarbana är oförändrade för S460 och S690. LDX2101 medför kostnader för betning motsvarande ca 30% av målningskostnader för C-Mn stål. I term av livscykelkostnad ger Duplex och väderbeständigt stål nästan samma resultat, fördel jämfört med broar med S355 (ca 11 respektive 13% lägre LCC).

Utveckling av nya brobaneplattor

Optimeringsarbetet gällande konventionella GC-broar, fackverksbalkar med ortotrop brobaneplatta, visade tydligt att brobaneplattan utgör en betydande del av brons totala kostnad och miljöbelastning. Med detta incitament påbörjades två olika arbetsinsatser gällande utveckling brobaneplattor. Båda avser sandwichkonstruktioner. Det ena arbetet gäller extruderade aluminiumprofiler och det andra lasersvetsade sandwichplattor av stål.

För lasersvetsade brobaneplattor har det i tidigare arbete utvecklats beräkningsmetoder, tillverkningsmetoder och utförts utmattningsverifiering, med avseende på vägbroar. För tre broar i Norge har denna teknologi nu tillämpats, se Figur 7, med automatiserad produktion med lasersvetsning. I LIGHTSPAN var målet att göra en grundläggande utvärdering gällande material- och kostnadseffektivitet för lasersvetsade brobaneplattor belastade med GC-trafik.

Figur 7. Produktionsanläggning för automatiserad lasersvetsning (Prodtex AS)

Som ett första steg i detta arbete utvärderades många olika geometrier ur lastbärande- och tillverkningsperspektiv, se Figur 8. De tre markerade alternativen, L-, Z- och V-core påvisades ha mest lovande förutsättningar och studerades vidare. Dessa skiljer sig gällande produktionsmetod där V- och Z-core kan svetsas med en stor andel ren lasersvets, men L-core kräver en större andel hybridlasersvetsning vilket ställer geometriska krav för åtkomst. Dessa tre olika kärnprofiler skiljer sig även gällande lastbärande beteende där L- och Z-core bär last mestadels i en riktning varvid V-core har en högre skjuvstyvhet i tvärriktningen och således ett mer fördelaktigt lastspridningsbeteende.

Figur 8:  Utvärderade lasersvetsade konfigurationer.

Inom ramen för LightSpan-projektet dimensionerades en lasersvetsad brobaneplatta enligt gällande regelverk för GC-broar vilket gav dimensionerna enligt fig nedan. Sandwichplattans höjd kan vara betydligt lägre än den som krävs för konventionella (ortotropa) brobaneplattor, mindre än 100 mm. Detta gjorde en materialbesparing på 15% möjlig. För avstyvningarna inne i sandwichen (core) och för bottenplåten är det begränsningen enligt bronormen som sätter plåttjockleken till 4 mm. Ur ett lastbärande perspektiv kan dessa plåttjocklekar emellertid minskas, vilket kunde ge större materialbesparing. I det studerade fallet så mycket som 27 %. Gällande kostnadseffektivitet är bedömningen starkt beroende på kvantitet. Den lasersvetsade brobaneplattan är mer kostnadseffektiv då man tillämpar ett produkttänkande. Ett uppskattat pris per kilo är dock likvärdigt mellan en konventionell brobaneplatta och en lasersvetsad.

Figur 9: Lasersvetsade sandwichplattor för GC-trafik, (ovan) enligt gällande regelverk med 4mm tunnaste gods, (nedan) med godstjocklek mindre än minsta tillåtna.

En annan aspekt som studerades inom ramen för detta projekt var interaktion mellan brobaneplatta och en huvudbärande fackverksbalk, se Figur 9. Ett normalt förfarande vid dimensionering är att bortse från denna interaktion och beakta det som två separata system där man i en beräkningsmodell modellerar brobaneplattan som separata balkelement och således ger brobaneplattan ingen inverkan på den globala böjstyvheten. Här påvisades att, om man istället modellerar brobaneplattan med skalelement som interagerar med underramstången, minskar man kraftigt materialbehovet i underramstången. Detta ger dock skjuv- och normalspänningar i brobaneplattan, koncentrerade vid positioner där två livstänger möter underramstången, som måste beaktas vid dimensionering av brobaneplattan och dess infästning mot underramstången. En annan effekt av att modellera brobaneplattan mer detaljerat är att man bättre simulerar dess lastspridande beteende.

Figur 10: Interaktion mellan brobaneplatta och huvudfackverk.

Den andra lösning för brobaneplatta som studerats inom ramen för detta projekt var en brobaneplatta av sammansvetsade extruderade aluminiumprofiler. Ett optimeringsverktyg togs fram baserat på generisk algoritm och submodellering och en förenklad geometri optimerades i en fallstudie, se Figur 11. Geometrin är förenklad på så sätt att de parametrar som bygger upp tvärsnittet är begränsade till att skapa rektangulära celler. I ett vidare arbete kan optimeringsverktyget utvecklas till att skapa fler typer av geometrier vilket väntas öka materialeffektiviteten. En annan utvecklingspotential är att optimera med avseende på totalkostnad eller total miljöpåverkan, likt det som gjorts för fackverksbalkar. Slutsatsen från detta arbete var att brobaneplattan i investeringskostnad var dyrare än en platta i målat C-Mn stål, men jämförbar med en i duplexstål, vilket således är ett gott incitament för vidare studier.

Figur 11: Brobaneplatta av svetsade extruderade aluminiumprofiler.

Konceptutveckling – broar med korrugerat liv och sandwich brodäck

Utveckling och utvärdering av nya koncept för GC-broar skedde successivt i projektet, med inspiration av de slutsatser som erhölls från analys av konventionella brokoncept och material och produktionskostnader för broars huvudfackverk och brobaneplatta. Flera nya koncept utvärderades preliminärt först och med stöd av det produktionstekniska kunnande som olika projektpartner besitter valdes ett brokoncept ut för en mer genomgående analys. 

Det nya konceptet kombinerar materialeffektiva lösningar för brobalkar (med korrugerat liv) och brodäck i form av lasersvetsad sandwichplatta. Konceptet anses framförallt lämpligt med rostfritt stål baserat på följande argument:

  • Brobalkar med detta koncept har (något) större målningsyta per meter längdbro, jämfört med konventionellt koncept
  • Analyser visar att endast en mycket tunn livplåt behövs, även för längre spännvidder (det korrugerade livet har en betydande skjuvstyvhet och -kapacitet). Att använda sig av rostfritt stål gör det dessutom lättare att ”kringgå” de krav på minsta plåttjocklek som finns idag för C-Mn stål.
Figur 12: Brokoncept med en kombination av brobalkar med korrugerat liv och lasersvetsad sandwichplatta till brodäck, båda i Duplext rostfritt stål.

En utvärdering av det nya konceptet gjordes för två fallstudiebroar med spännvidder av 13,4 och 23 m och brobredd på 3,8 respektive 3,2 m. Resultaten jämförs nedan med optimerade broar med konventionellt koncept (fackverksbalkar och ortotropt brodäck).

För bron med den kortare spännvidden används prismatiska balkar medan balkar med krökta överflänsar används för den långa bron, dels för att spara material, men också med avseende på gestaltning. Som övre flänsar används kallformade profiler i någon form av ”hatt-utförande”. Detta ger ett bra materialutnyttjande till följd av ökad böjstyvhet i brons tvärriktning (en bucklingsmod som är bestämmande vid dimensionering av GC-broar med överliggande huvudbärverk).

En lasersvetsade sandwichplatta togs fram. Denna platta har ca 17% lägre vikt jämfört med en konventionell ortotrop platta. En analys visade att det finns mer potential till ännu högre viktbesparing med detta däckkoncept, se föregående kapitel.

En annan fördel med detta koncept (förutom materialbesparing och uteblivna målningskostnader) är att broräcken blir ”integrerade” i bron. Maximala balkhöjden sätts till 1,5 m av estetiska skäl.

Också produktionstekniskt bedöms balkkonceptet vara mycket fördelaktigt då alla (tämligen komplexa) operationer som förknippas med att producera fackverksknutpunkter uteblir och svetsning av brobalkar och brofarbana sker fullt robotiserat. Projektgruppen gör en bedömning att produktionskostnaderna för det nya konceptet är ca 50% av en motsvarande konventionell fackverksbro.

Figur 13: Detaljer av två broar med brobalkar med trapetsprofilerat liv och lasersvetsad sandwichplatta

Tabell 3 sammanfattar resultaten från kostnadsanalysen som genomförts på en av de studerade broarna (liknande slutsatser erhölls för övriga broar). Analysen visar att det går att producera en bro med det nya konceptet i Duplext stål för en lägre investeringskostnad (upp till 10%) än en konventionell fackverksbro i målat C-Mn stål. Kostnadsbesparingen erhålls dels av lägre produktionskostnader och dessutom uteblivna kostnader för målning av Duplext stål.

Tabell 3: Kostnadsjämförelse mellan nyutvecklat och konventionellt koncept

Slutsatser från projektet

Projektet LIGHTSPAN pågick i tre år och många slutsatser dras i den öppna slutrapporten. Dessa kopplas till respektive del i det konceptutvecklande projektet. Rapporten är nedladdningsbar från både Vinnovas hemsida och från Academia. Följande övergripande slutsatser kan dock ges:

  • Från design- och analysarbetet framkom att för ett vanligt konventionellt brokoncept kan en signifikant andel material, byggkostnad och vikt, ca 50%, relateras till själva brodäcket. Därför blir en optimering av brodäcket mycket viktig.
  • En GA-optimeringsmetodik har utvecklats i projektet som kan spara upp till 20% vikt i bärverket i traditionella brokonstruktioner.
  • Av de olika koncept som tagits fram och analyserats i projektet visar de som har bärande balkar med korrugerade liv och brodäck med sandwich-lösning stor potential både ekonomiskt och hållbarhetsmässigt och de har goda möjligheter till skalning och robotisering. De kan till exempel möjliggöra att designlösningar med rostfria stål inte blir nämnvärt dyrare än dagens traditionella lösningar, när vikt- och designoptimering för robotisering implementerats. Ett av dessa koncept har vidareutvecklats av Borga som deltagit i projektet och de förväntas fortsätta utvecklas i flera varianter.

Erkännanden

Ett stort tack till Vinnova, LIGHTer, och deltagande företag, som alla bidragit i finansieringen av detta projekt. Deltagarna tackas också för det fina projektsamarbetet: TRV, WSP, Borga, Prodtex, Bendiro, Rundquist Arkitekter, Hydro, Outokumpu, SSAB, SBI, Chalmers, Swerim.

IGM Welding Robots AB tackas för bra samarbete i tester med olika fogföljningssystem. Stålbyggnadsinstitutet tackas speciellt för dissemineringen vid stålbyggnadsdagen där LIGHTSPAN hade en egen sejour – och för möjligheten att publicera denna artikel.

Författare
Peter Nilsson, NS Stålkonstruktioner
Mohammad Al-Emrani, Chalmers
Joakim Hedegård, Swerim