Optimering av samverkansbroar med hjälp av HFMI – en fallstudie

Broar är en viktig del av infrastrukturen för alla samhällen över hela världen. Därför spenderas miljoner och åter miljoner på att bygga nya broar och underhålla de befintliga. Detta medför att möjligheten för att skära ner på kostnader blir väldigt intressant. En vanlig typ av bro för medellånga till långa broar är samverkansbron med dubbla I-balkar, bild 1. För samverkansbroar har utmattningshållfastheten i många fall visat sig vara avgörande i dimensioneringen. Utmattningshållfastheten hos svetsförband är – enligt EN 1993-1-9 – oberoende av stålets hållfasthet. Därför kommer lasteffekterna bara kunna minskas genom att öka böjmotståndet på balkarna vilket leder till mer materialåtgång och ökade kostnader.

HFMI

High-Frequency Mechanical Impact (HFMI) är en svetsefterbehandlingsmetod som syftar till att öka utmattningshållfastheten hos den svetsade anslutningen genom att introducera tryckrestspänningar, jämna ut den lokala geometrin vi svetsfattningskanten och öka materialets hårdhet lokalt, bild 3. Detta minskar risken för sprickinitiering och ökar livslängden vid utmattning avsevärt. Man har genom att studera metoden under två decennier kunnat tilldela högre FAT-klass för varje studerad detalj och i förlängningen kunnat ta fram nya riktlinjer. Riktlinjerna bygger på genomsnittliga spänningseffekten (R-kvot) och en högre S-N kurvan. Utöver detta blir utmattningshållfastheten materialberoende, det vill säga att för högre materialhållfasthet erhålls en högre FAT-klass. Med dessa positiva effekter kommer också begränsningar då man genom att införa lokala tryckspänningar i svetsfattningskanten måste kontrollera maximal lasteffekt för att inte överbelasta eller relaxera dessa spänningar och på så sätt tappa effekten över tid.

På grund av en relativt låg kostnad och ett enkelt utförande är HFMI en mycket lämplig metod för brokonstruktioner. Metoden har dessutom visat sig vara effektiv i både nya och befintliga konstruktioner.

De riktlinjer som tagits fram av Al-Emrani et al. ligger som förslag i nästa generation av Eurokoden [2]. I och med detta ha riktlinjerna ännu inte tillämpats på en bro vid ny dimensionering, vilket gör att vår kunskap om den potentiella materialbesparingen är begränsad. På grund av detta utfördes en fallstudie på en samverkansbro där effekterna av de nya riktlinjerna implementerades och aspekter så som materialåtgång och kostnad ställdes mot bland annat materialval och geometri.

Underlag för studien

Syftet var att undersöka potentialen för optimering genom att förbättra utmattningsprestandan med hjälp av HFMI-behandling. Därför konstruerades och optimerades en samverkansbro med I-balkar. Bron konstruerades i enlighet med Eurokod med de svenska nationella valen till Eurokod, TSFS 2018:57. Fullständig information om studerad bro kan läsas om i examensarbetet ”Composite bridge design optimisation using HFMI-treatment” av C. Englund och S. Dagduk [1].

Balken tilldelades en ”normalsektion” utformat med S355-stål och utfördes i två olika tvärsnittshöjder, L/20 och L/30, där ”L” betecknade den längsta spännvidden. För S355-stålet dimensionerade konstruktionen och optimerades för respektive höjd. För jämförelsen av kostnader mellan de olika materialen användes priser från SSAB Q4 2022.

Tabell 1 Priser SSAB Q4 2022 [1]

Resultat

Balkens maximala utnyttjandegrad för dimensionering presenteras i tabell 2 för de olika f_yd: S355, S460 och S690 utan optimering. Tabellerna visar tydligt att en ökning av stålkvaliteten påverkar balkens utnyttjande i ULS. Ingen förändring sker för SLS, eftersom dimensionerna på tvärsnittet hålls konstanta. För FLS erhålls som tidigare ingen förändring för en ”as welded” balk, men när efterbehandling med HFMI introduceras blir hållfastheten för utmattningsdetaljerna beroende av materialets hållfasthet och en högre detaljkategori kan utnyttjas.

Tabell 2 Maximal utnyttjandegrad för ”normalsektion” och för olika stålkvalité utan optimering. [1]

För att använda HFMI ställs krav på den karakteristiska spänningen i SLS för att undvika relaxation. Gränserna bestäms genom att studera spänningen i den yttersta fibern i balken. För den kontrollerade balken var spänningarna väl inom gränserna och risken för att erhålla relaxation försumbar se bild 4 samt bild 5 för spänning längs hela balkens längd.

Optimeringen med HFMI-behandling undersöktes stegvis via förändringen i utnyttjandegrad. För varje steg justerades en variabel i taget. Dessa ändringar inkluderade justering av materialhållfasthet, HFMI-behandling och optimering.

Eftersom HFMI endast påverkar gränstillståndet för utmattning är det viktigt att även studera hur geometriförändring och materialförändring påverkar balken för övriga gränstillstånd. När HFMI introducerades förflyttades det begränsande snittet och utrymme för ytterligare optimering erhölls och mängden material kunde reduceras.

Om ovan nämnda bro skulle ha fått sin efterbehandling på arbetsplatsen i stället för verkstad skulle resultaten bli ännu mer gynnsamma ur utmattningshänseende [1] detta redovisas i bild 6. Detta då man introducerar tryckspänningarna efter att brons egenvikt börjat belasta konstruktionen vilket betyder att R-kvoten kan försummas vid framtagande av utmattningshållfastheten.

Genom den optimering som var möjlig på grund av HFMI-behandling beräknades materialbesparing och kostnadsjustering och visas i tabellen nedan. Gröna markörer representerar kostnadsbesparingar, medan röda markörer indikerar kostnadsökningar. Den beräknade kostnaden inkluderar kostnaden för stål samt arbetskostnaden, maskinhyreskostnaden och utbildningskostnaden för HFMI.

Tabell 3 Sammanfattning av HFMI effekt med avseende på material- och kostnadsbesparing. [1]

* Kostnadsökning

Diskussion

HFMI-behandling minskar avsevärt utnyttjandegraden i FLS kombinerat med högre materialhållfasthet, vilket även minskar spänningar i ULS. Eftersom den ursprungliga designens utnyttjandegrad närmar sig 100 % för både ULS och FLS, är förbättringar av stålhållfastheten och HFMI-behandling avgörande för att optimera balkgeometrin. Den optimerade designen resulterar i minskad stålanvändning vilket bör tolkas som en bättre lösning ur hållbarhetssynpunkt.

Betydande materialbesparingar uppnås genom att minska tvärsnittsdimensionerna under geometrioptimering. Begränsningar för böjknäckning av överflänsen beaktades dock inte i denna studie.

Även om användningen av S690-stål ger de största materialbesparingarna, resulterar den fördubblade kostnaden för materialet i försumbara ekonomiska besparingar. Stålsort S460 är mer kostnadseffektiv om inte balkhöjdsbegränsningar gör det nödvändigt att använda höghållfast stål för låga balkar.

Att applicera HFMI i verkstad ger en mer kontrollerad miljö och utförandet kan därför säkerställas. Dock visar resultaten att om HFMI kan utföras på plats så kan materialbesparingarna maximeras även om utförandet kan bli mer kostsamt. Detta är ett avvägande som konstruktören måste beakta vid projekteringen och sedan också viktigt att entreprenören efterlever.

Sammanfattningsvis visar HFMI-behandling, särskilt i kombination med geometrioptimering och måttliga ökningar av stålhållfastheten, en betydande potential för materialbesparingar och förbättrad broprestanda. Även om vissa begränsningar, såsom trösklarna för spänningsintervall och böjknäckning begränsar fördelarna, kan om metoden används på rätt sätt ge betydande materialbesparing.

Slutsats

Målet var att få en optimerad utformning för nya vägbroar där designregler för HFMI-behandling implementerades. Fallstudien skulle samtidigt kontrollera skillnaden mellan att utföra HFMI i verkstad eller på byggarbetsplats. Efter att ha studerat effekten av HFMI-behandling tillsammans med användning av högre stålsorter kan man dra slutsatsen att utmattningshållfastheten förbättras och att det finns materialbesparingar att göra. Punkter från resultaten i studien:

• Att implementera HFMI-behandling och öka stålhållfastheten för nya broar är mycket fördelaktigt. Stålanvändningen för denna fallstudie har minskat avsevärt, vilket resulterar i lättare konstruktioner. Det minskar transportkostnaderna och gör installationen enklare. Dessutom skapar materialminskningarna en mer hållbar konstruktion ur ett LCA perspektiv. För konstruktioner som har en begränsad höjd finns det fortfarande utrymme för denna justering där tidigare höjden begränsade balkens utmattningshållfasthet.
• Områden med mycket höga spänningsvidder kan begränsa förbättringspotentialen med HFMI för vissa detaljer då tester visat att ingen förbättring erhålls och en viss försämring kan uppstå. Detta beror på att S/N-kurvan för en HFMI-behandlad detalj endast kan användas när spänningsvidden är lägre än Δσ_s/γ_Mf, gränsvärdet i S/N-kurvan.
• För denna specifika fallstudie fanns det en betydande potential för materialbesparingar på upp till 53 %. Det bästa resultatet för materialbesparing i konstruktionen för denna fallstudie erhölls för S690 stål. Studien visade också att genom implementering av HFMI på plats erhölls ännu större materialbesparingarna. Att utföra den i en verkstad kan dock vara mer fördelaktigt eftersom den behandlade delen måste blästras (om färg redan är applicerat) och målas på plats, vilket ger en ökning i kostnad för utförandet.
• Det mest ekonomiska alternativet visade sig vara att välja ett S460 stål på grund av de betydande kostnadsbesparingar som kan göras. Kostnadsbesparingarna för S690 var försumbara eftersom materialkostnaden nästan är dubbelt så hög jämfört med S355. Dessutom är den uppskattade kostnaden för att implementera HFMI obetydlig i förhållande till den totala kostnaden för balkarna och kan också anses vara försumbar.

Läs mer på Internet

[1] Composite bridge design optimisation using HFMI-treatment: Design and optimisation of composite bridges using high frequency mechanical impact (HFMI) treatment. C.Englund & S.Dagduk: Länk

[2] High Frequency Mechanical Impact Treatment – Recommendations for the design of welded details in road and railway bridges: Länk

Författare
Mattias Öst, M.Sc. Structural Engineer COWI AB
Hassan al-Karawi, Ph.D. Structural Engineer COWI AB