Bro i Stöde förstärks med HFMI

Stålbroar
Ökad trafikmängd och tunga transporter gör att Trafikverket vill höja bärighetsklassen på bron i Stöde till BK4. Uppdraget utförs av Svevia som har påbörjat arbetet. I anslutning till arbetet genomförs också ett fullskaleprov av en metod som ska ge stålet en högre hållfasthet. Svevias uppdrag är att förstärka brons stålkonstruktion genom att svetsa på mer stål. Projektet innebär omfattande arbete med svetsning, blästring och målning.

– För att kunna utföra arbetet på ett så säkert sätt som möjligt har vi monterat upp en stor byggställning. Ställningen har vi sedan klätt in för att skydda Ljungans vattenmiljö från blästringssand och annan påverkan från broarbetet, säger Marie-Louise Nordén, Svevia.

Byggnadsställningen är inklädd för god arbetsmiljö och täcker hela förstärkningsområdet.  

I samband med förstärkningsarbetet utförs också en fullskalig test av en metod som kallas HFMI, vars syfte är att ge svetsförband i stål en högre utmattningshållfasthet. Testerna utförs i samverkan med forskningsprojektet LIFEEXT-2 med Trafikverket, Chalmers, KTH, Swerim, HiFit Scandinavia, Dekra, Winteria, samt Svetskommissionen och Ramböll som parter.

– Det är mycket intressant, säger Marie-Louise Nordén på Svevia. En stålkonstruktion är inte starkare är sin svagaste svetsskarv. Om det finns en metod för att höja hållfastheten i svetsat stål så skulle det innebära säkrare konstruktioner och ett minskat behov av löpande underhåll vilket på sikt kan effektivisera ekonomin för brounderhåll och skapa mindre störningar i trafikmiljön.

Under arbetets gång kan framkomligheten påverkas – men Svevias ambition är att så långt som möjligt hålla vägbanan öppen så att trafiken kan rulla på med enbart anpassad hastighet. Projektet är värt cirka 10 miljoner kronor och beräknas vara avslutat i september.

BK4

BK4 gör det möjligt att använda tyngre fordon på delar av vägnätet vilket ger effektivare godstransporter och bidrar till att stärka svenskt näringslivs konkurrenskraft. Färre fordon kan ta samma mängd gods vilket är bra för både näringslivet och klimatet. Den nya bärighetsklassen innebär att godstransporter kan ske med en total bruttovikt på upp emot 74 ton, men även att exempelvis en anläggningslastbil kan transportera tyngre last. Den nya bärighetsklassen tillåter dock inte högre axellaster vilket medför att det krävs fler axlar på fordonen inom befintliga regler för tillåtna fordonslängder. Vägar som upplåts för BK4 ska klara den ökade belastningen, samtidigt som tillgängligheten och trafiksäkerheten i vägsystemet ska bibehållas. BK4-vägnätet kommer att utökas succesivt och det sker i fortsatt dialog med näringslivet för att skapa största möjliga samhällsnytta. Trafikverket öppnade ca 11.600 kilometer statlig väg för den nya bärighetsklassen BK4 under 2018. BK4-vägnätet har sedan utökats med upp emot 15 000 km, vilket innebär att det statliga vägnätet som är upplåtet för BK4 vid årsskiftet 2020/2021 var strax över 26 procent. Trafikverket har en långsiktig målsättning om att upplåta hela BK1- vägnätet för BK4 i framtiden. Det kommer att krävas en hel del förstärkningsarbeten för att kunna upplåta vägnätet för BK4. Det finns brister på cirka tio procent av de statliga vägarna och cirka 800 broar som behöver förstärkas för att klara den ökade belastningen. Enligt bärighetssatsningen som är beskriven i den Nationella planen för transportsystemet 2018-2029 kommer 70 – 80 procent (motsvarande 40 – 50 procent av samtliga statliga vägar) av de viktigaste statliga vägarna för tunga transporter vara öppna för BK4 år 2029.

Bärighetsutredning

Bärighet är en beskrivning av konstruktionens förmåga att bära en trafiklast. Bärighetsuppgifterna är färskvara och ska återspegla konstruktionens faktiska bärförmåga i varje ögonblick. Många av de broar som behöver förstärkas är stålbroar som byggdes på 1960 och 70-talen. För att utreda vilka om en bro som behöver förstärkas utförs först en bärighetsberäkning enligt TRVINFRA-00331 Bro och broliknande konstruktion, Bärighetsberäkning. Av beräkningen framgår om bron klarar den axel- och boggielast som krävs för en last motsvarande BK4.

För bron i Stöde visade det sig att kritiska konstruktionsdelar för fordonslast var huvudbalkarna. Böjmomentkapacitet över mellanstöden samt vid balkskarven närmast mellanstöden visade sig inte klara trafiklast (reduktion av momentkapacitet på grund av vippning i underflänsen). Norconsult fick uppdraget att utföra bärighetsberäkningen.

Tvärkraftskapacitet vid mellanstöden (avstånd mellan vertikala livavstyvningar är ca. 3,7m) visade också på bristfällig lastkapacitet. Efter bärighetsutredningen beslutade Trafikverket att bron skulle förstärkas för att klara last för att möjliggöra att bron skulle kunna trafikeras med BK4-last i framtiden.

Projektering

Tidigare har ett antal stålbroar förstärks genom att öka stålflänsarnas area genom att skruva på förstärkningsplåtar. När en bro förstärks dimensioneras förstärkningen enligt nybyggnadsregler med dimensionering enligt Eurocode. Det innebär att utmattning oftast är dimensionerande. Det har visat sig att det har varit svårt att räkna hem påsvetsade förstärkningsplåtar för Eurokodens utmattningslast. Av den anledningen har skruvade förband valts i tidigare projekt.

Trafikverket har deltagit och även gett bidrag till FoI-projekt där HFMI har studerats. Efterbehandling med HFMI ökar svetsade detaljers utmattningshållfasthet väsentligt. Bron över Ljungan vid Stöde ansågs därför vara ett lämpligt pilotprojekt för att prova metoden. En svetsad lösning har den fördelen framför en skruvad att det inte finns de ojämnheter och spalter som en skruvad lösning ger.

Norconsult fick uppdraget att ta fram arbetshandlingar för projektet. I uppdraget ingick att ta fram teknisk beskrivning, ritningar, kontrollplaner och arbetsbeskrivning för HFMI. Eftersom HFMI ännu inte är väletablerat i Sverige, åtminstone inte inom brobyggnad, så skedde projekteringen i nära samarbete med LifeExt-2 projektet och Chalmers, Swerim och Trafikverket. För dimensioneringen användes en förhandutgåva av EN 1993-1-9, IIW Recommendations for the HFMI Treatment och en teknisk kravspecifikation framtagen av Chalmers.

Produktion

Svevia fick kontraktet att utföra förstärkningen på bron i Stöde med Timrå Rostfria som underkonsult. Produktionen pågår när detta skrivs.

HFMI-behandling av nedre del av svetsad livavstyvning på bron i Stöde.

HFMI-verktyg med olika nålhuvuden.

Kort om HFMI

HFMI är en förkortning av termen ”High Frequency Mechanical Impact” vilken beskriver ganska bra vad det handlar om – man slår med en maskin ner en liten stålstång med rundad ände mycket snabbt (ca 100Hz) på det man vill behandla, exempelvis belastade svetsars fattningskanter. Man gör detta då mycket lokalt och bara på den sträcka där det behövs, dvs de delar som är mest påkända utmattningsmässigt. Behandlingen ger två fördelar, dels en större radieövergång till svetsen vilket sänker spänningskoncentrationen. Dels att man bygger in tryckspänningar lokalt i och under den behandlade ytan, vilket ökar utmattningståligheten väsentligt. Genom att göra HFMI-behandling lokalt vid de ”sämsta” positionerna i en svetsad stålkonstruktion kan hela konstruktionens belastning och livslängd ökas. I en utmattningsdimensionering kan man nå mellan 4-8 FAT-kurvor högre för sin förbandsklass för det aktuella svetsförbandet (beroende på ståltyp) vilket kan ge en lastökningsmöjlighet på 50-100% eller en livslängdsökning motsvarande ett nytt broliv eller mer.  HFMI ger nya möjligheter till både livslängdsförlängning av gamla konstruktioner och bättre optimering av nya genom användning av mer höghållfasta och slanka konstruktioner. Ett villkor för äldre konstruktioner är dock att de ska ha tillräcklig seghet, stålet ska tåla HFMI-behandlingen.

HFMI påminner i sin tillämpning om svetsning – det behövs utbildade och prövade operatörer. Därför pågår förberedelser för en första operatörsutbildning i landet för HFMI. Denna kommer ske på Swerim i höst och i nära samverkan med HiFit Scandinavia och Svetskommissionen.

Scanning av svetsar före och efter HFMI

Det gjordes också försök med digital scanning av svetsar med Winteriaflexsystemet, dvs en kontroll före och efter HFMI-behandling samt för att se hur svetsens geometri påverkas av HFMI-behandlingen.

Digital scanning av svetskvalitet med Winteriasystemet på bron i Stöde.

Författare
Hans Pétursson, Specialist Stålbroar, TRV
Mohammad Al-Emrani, Professor i Stål och träbyggnad, Chalmers
Joakim Hedegård, Seniorforskare och forskningskoordinator, Swerim