I-balkar med korrugerat liv
Samverkans brobalkar tillverkas traditionellt med plana liv som förbinder övre och undreflänsarna (Figur 1a). I kontrast till detta introducerar den korrugerade livkonfigurationen veck i livet ((Figur 1b)), vilket ökar balkens tvärkraftkapacitet, och styvhet, samt minskar behovet av tvärgående avstyvningar. Den främsta fördelen med detta koncept är möjligheten att uppnå lättare balk med förbättrad stabilitet.
Figur 1 Brobalkar: (a) plant liv, (b) korrugerat liv
Utvärdering av konceptet och jämförelse med konventionella broar med plana liv i S355
En parametrisk studie har genomförts för att utvärdera det nya konceptet under olika förhållanden, t.ex. brospann, balkhöjdsbegränsningar och underhållskostnader.
Den livscykelskostnadsmodell (LCC) som tillämpades i studien består av tre huvudmoduler: investering, användning, och återförsäljning. Investeringsmodul omfattar både materialkostnader (stålplåtar, valsade profiler, svetsbultar, armering och betong) och produktionskostnader (kapning, svetsning, verkstadsmontering, korrugering, målning eller betning, slipning, betonggjutning, och montering på plats). Användningsmodulen inkluderar underhållsåtgärder såsom övermålning och ommålning, samt användarkostnader kopplade till trafikstörningar under underhåll. Återförsäljningsmodulen tar hänsyn till materialens restvärde vid slutet av livslängd. En brodesignmodul som använder sig av optimering med Genetiska algoritmer utvecklades och användes för att se till att man alltid jämför ”optimala” lösningar för respektive brokoncept och studerat fall.
Resultaten av parametrisk studien visar att det nya konceptet kan realiseras med mycket konkurrenskraftiga investeringskostnader (enbart 1–11% högre investeringskostnad jämfört med konventionella broar med S355). Användning av korrugerat liv möjliggjorde en materialbesparing i stålöverbyggnaden på 20–38%. Ett illustrativt exempel presenteras i Figur 2. I detta fall gav konceptet med korrugerat rostfritt liv enbart 4% högre investeringskostnad jämfört med alternativet i kolstål. Materialåtgången minskade med cirka 32% bland annat till följd av tunnare balkliv, men också i flänsar till följd av högre balk (Figur 2a). Ytterligare kostnadsbesparing uppnåddes i produktion, eftersom rostfritt stål eliminerar behovet av målning och slipning samt minskar behovet av svetsning och kapning (till följd av tunnare gods), vilket sammantaget minskar tillverkningskostnaderna (Figur 2b).
Över livslängden erhålls dessutom ytterligare besparingar genom minskat underhåll, eftersom rostfritt stål inte kräver något skyddande ytskikt (Figur 2c).
De potentiella besparingarna i livscykelkostnad (LCC) blir mer betydande när mer omfattande målningsunderhåll krävs. Figur 2illustrerade ett scenario baserat på Trafikverkets underhållsschema för en brolivslängd på 120 år. Under detta antagande uppskattades LCC-besparingen till cirka 24%. När ett mer intensivt underhållschema [1] tillämpas, ökar besparingarna avsevärt, till cirka 43%.
Figur 2 Jämförelse av vikt, investeringskostnad och LCC. Designen optimerades med avseende på LCC. Kostnadsförhållande = 3. Källa: [2]
Studien visade också att när utmattning är dimensionerande (hög Nobs,), minskar materialbesparingarna något, då nyttan av att använda det något höghållfasta duplex begränsas. Samtidigt innebär ett högre Nobs en ökad genomsnittlig dygnstrafik (ADT), vilket i sin tur höjer användarkostnaderna kopplade till brounderhåll. Trots de minskade materialbesparingarna visade det studerade konceptet på betydande besparingar i livscykelkostnad (LCC), 43–49% i de analyserade scenarierna. Dessa besparingar var dessutom konsekventa över olika studerade brospann.
En viktig observation från alla studerade brofall är att LCC-besparingarna med det nya konceptet blir mer om djupare brobalkar kan användas (för C-stålbalkar innebär en högre balk en större yta och därmed högre målningskostnader).
Med hänvisning till livscykelanalysen (LCA), konstaterades att det nya konceptet hade 32–42% lägre miljöpåverkan—mätts som global uppvärmningspotential (GWP)— jämfört med den traditionella S355 design med plant liv. Den största bidragande faktorn till miljöpåverkan var materialproduktionen, där rostfritt stål uppvisade avsevärt lägre GWP-värde per enhet än S355 konstruktionsstål (1,7 kg CO2eq jämfört med 2,63 kg CO2eq). Det är dock viktigt att notera att dessa värden baseras på miljövarudeklarationer (EPD:er), vilka kan variera avsevärt beroende på produktionsmetoder, tillverkare, och geografisk lokalisering. De beräknade värden kan därmed skilja sig beroende på vilka specifika datakällor som används.
Jämförelse med S460
En jämförelse mellan balkar med plant liv av S355 och S460 och balkar med korrugerat liv av rostfritt stål visade att när brottgränstillståndet (ULS) dimensionerade konstruktionen hade S460 cirka 5% lägre LCC än S355. Detta berodde på materialbesparingar, med S460 antagen ha 1.13 gånger S355 pris/kg. När utmattningsgränstillståndet dimensionerade konstruktionen var LCC for S355 och S460 likvärdiga, med båda fortfarande högre an alternativet med korrugerat rostfritt stål [3].
Jämförelse med konventionella brobalkar med plant liv i duplex stål
En jämförelse mellan balkar med plant liv av S355 respektive rostfritt stål EN1.4162 och balkar med korrugerat liv av EN1.4162 genomfördes i en fallstudie av en kontinuerlig trespannsbro, nämligen Kyrkbron i Avesta kommun, som ståt inför utbyte. Balkhöjden var begränsad till 2,8 meter (samma som den befintliga bron). Designen optimerades med avseende på materialåtgång. Resultaten (Figur 3) visade att brobalkar med konventionellt utförande i EN1.4162 gav en viktminskning med 9%, medan balkar med korrugerade liv resulterade i en viktbesparing på 23% jämfört med S355 [4]. Viktbesparingen förklaras av att de korrugerade liven kan göras tunnare (4–10 mm) än plana liv (14–25 mm).
När det gäller LCC, eliminerade alternativet med plant liv i EN1.4162 underhållsmålningskostnaderna, vilket resulterade i en måttlig besparing på 6%. Däremot kombinerade lösningen med korrugerade liv i EN1.4162 fördelarna med en underhållsfrilösning och betydande materialbesparing, vilket i det specifika fallet gav en total LCC-besparing på 18% trots det högre materialpriset.
Figur 3 Optimeringsresultat för Kyrkbron, Avesta. Källa: [5]
Tvärkraftkapacitet, flänsbuckling och utmattningshållfasthet
Forskningsarbetet som utfördes i pågående projekt mellan 2020 och 2025 (SUNLIGHT, Sustainable and Maintenance-Free Bridges, and LONGLIFE) omfattade – förutom utvärderingsstudien ovan – flera experimentella, numeriska och analytiska studier med avseende på problemområden där kunskapen bedömdes saknas och är viktiga för en effektiv applicering av det nya brokonceptet.
Tvärkraftkapaciteten hos balkar med trapetsprofilerat liv i EN1.4162 undersöktes experimentellt och med FEM. Resultaten visa att dimensioneringsmodell i uppkommande Eurokod prEN 1993-1-5 är applicerbara på detta stålmaterial (med en viss konservatism) [6]. Flänsbuckling och tvärsnittsklass för flänsar i balkar med trapetsprofilerat liv är ett annat problem som studerades och en dimensioneringsmodell utvecklades och publicerades i [7]. En omfattande studie av utmattningshållfasthet av balkar med trapetsprofilerade liv genomfördes också, där så väl balkar i C-stål som nya testar på Chalmers på balkar i rostfritt stål beaktades. Rekommendationer för lasteffekter som bör beaktas och detaljkategorier att använda vid utmattningsdimensioner producerades, se Tabell 1 [8] [3] [9].
Slutsatser
Studien visar att I-balkar av duplex rostfritt stål med korrugerat liv är ett hållbart alternativ till traditionella I-balkar i kolstål med plant liv. Kombinationen av hög korrosionsbeständighet, eliminerat behov av målning och betydande viktbesparingar innebär en måttlig ökning av investeringskostnaden, samtidigt som den ger lägre livscykelkostnader och minskad klimatpåverkan. Dessutom uppvisade duplex rostfritt stål med korrugerat liv jämförbar utmattningshållfasthet med kolstål, vilket gör det väl lämpat för vägbroar.
Arbetet har utförts inom projekten Hållbara underhållsfria stålbroar, med stöd av Trafikverket (TRV 2020/117504), samt LONGLIFE, med stöd av VINNOVA (2022–01614).
Författare
Fatima Hlal, Doktorand, Chalmers
Peter Nilsson, Tekn.dr., Chalmers
Mohammad Al-Emrani, Professor, Chalmers
Referenser
[1] Rossi, B., Marquart, S., Rossi, G. (2017). Comparative life cycle cost assessment of painted and hot-dip galvanized bridges. Journal of Environmental Management, 197, 41-49. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2017.03.022,
[2] Hlal, F., Amani, M., Al-Emrani, M. . (2023). Stainless steel corrugated web girders for composite road bridges: Optimization and parametric studies. Engineering Structures, 302. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2023.117366,
[3] Hlal, F. (2025). Stainless Steel Corrugated Web I-Girders for Composite Road Bridges. PhD thesis. Chalmers University of Technology.
[4] Hlal, F., Amani, M., Nilsson, P., Hollberg, A., Al-Emrani, M. (2023). Life Cycle Cost and Life Cycle Assessment of Composite Bridge with Flat and Corrugated Webs. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/cepa.2514
[5] Hlal, F. (2023). Stainless Steel Corrugated Web Girders for Composite Road Bridges: Concept Evaluation and Flange Buckling Resistance. Chalmers University of Technology. Technical Report No ACE 2023:9. https://research.chalmers.se/publication/536891,
[6] Amani, M., Al-Emrani, Mohammad, Flansbjer, Mathias. (2023). Shear Behavior of Stainless Steel Girders with Corrugated Webs. Journal of Constructional Steel Research, 210. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2023.108086,
[7] Hlal, F., Al-Emrani, M. (2023). Flange buckling in stainless-steel corrugated webs I-girders under pure bending: Numerical study. Journal of Constructional Steel Research, 208. https://doi.org/10.1016/j.jcsr.2023.108031,
[8] Hlal, F., Al-Emrani, M. (2024). Load effects in beams with corrugated webs: Numerical study. Nordic Steel Construction Conference 2024 (NSCC 2024), The Swedish Institute of Steel Construction. https://doi.org/10.5281/zenodo.12210008,
[9] Hlal, F., Al-Emrani, M. (2025). Load effects for fatigue design of web-to-flange welded detail in corrugated web girders. SEMC 2025: The Ninth International Conference on Structural Engineering, Mechanics and Computation, Cape Town, South Africa.
[10] Hlal, F., Al-Emrani, M. (2025). Detail categories for the flange-to-web weld detail in corrugated web girders. Engineering Structures. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2024.119342,
