– Det er et behov for økt forståelse for hvordan trafikklastene påvirker nedgravde rørkonstruksjoner og jordsmonn, sier masterstudent Magnus Johnsen.
Han mener at det kan ligge et betydelig potensiale til å optimalisere rørstyrke i forhold til faktisk belastning.
Studert påkjenningene
Johnsen har i sin masteroppgave sammenlignet trafikklaster fra jernbane og veg. Han har undersøkt hvordan kreftene fordeler seg og hvilken betydning en trafikklast som beveger seg utgjør for rør som legges ved liten og stor overdekningen. Det er også gjennomført en dynamisk analyse for jernbanelastene.
– Temaet for oppgaven er hvilke påkjenninger trafikklast fra jernbane og veg utgjør på nedgravde betongrør. Det er gjennomført et casestudium for å besvare problemstillingen ved å legge røret ved ulike overdekninger.
Dagens standard laget for vei
Det stiller stadig høyere krav til effektiv transport, noe som innebærer både større lastet og høyere hastighet. Dette påvirker betongrørene som ligger i bakken. Johnsen har sammenlignet trafikklaster fra jernbane og veg.
– Betongrørstandarden NS 3121 angir kun trafikklast fra veg. Da den ble laget var det i liten grad snakk om andre terrenglaster enn veglaster. Derfor var det logisk at rør som ble utsatt for andre og større laster måtte dimensjoneres spesielt.
Begrensninger
Masterstudenten forteller at Vegnormalene ikke gir mulighet til å dimensjonere rør fra DN2500 og større som en rørkonstruksjon.
– Bane Nords tekniske regelverk setter denne grensen ved DN2000. Dette skyldes at rør med innvendig diameter større enn dette regnes som en brokonstruksjon. Disse rørene dimensjoneres med vesentlig større tillegg for de vertikale lastene.
Masterstudent: Magnus Johnsen har i sin masteroppgave sammenlignet trafikklaster fra jernbane og veg.
Jernbanesatsing skaper nye behov
Nå er det et stort fokus på jernbanebygging. Det er satt av flere hundre milliarder kroner til jernbaneformål fram til 2029. Det betyr at det er behov for mer kunnskap rundt dimensjonering for jernbanelaster.
– Veglaster er ikke det samme som jernbanelaster. Noen tilfeller av lav overdekning har stor innvirkning på fordeling av krefter. Dette kommer av at minimums kravene til overdekning for rør som anlegges under trafikklast fra jernbane og veg er forskjellige.
For jernbane er kravet til minste overdekning 0,9 m, mens det for rør anlagt under veg bare er 0,5 m.
– Rørene er etter dagens betongrørstandard kun dimensjonert med hensyn til veglaster. Disse lastene er inkludert en dynamisk faktor. For lastene som er angitt i Bane Nords Teknisk regleverk må dynamisk faktor legges til, understreker Johnsen.
Han forteller at ved et første øyekast kan lastene for veg og jernbane synes like, da man for veganlegg legger til grunn en last på 260 kN.
– For jernbane er lasten 250 kN. Forskjellen på disse lastene er imidlertid betydelige, da veglasten inkluderer dynamisk tillegg. Jernbanelasten er eksklusivt dynamisk tillegg.
Johnsen forteller at størrelsesordenen på faktoren er vanskelig å bestemme, da økt overdekning over røret gir en rask avtagende effekt på den dynamiske faktoren (et lasttillegg som kommer av vibrasjoner og støt fra en bevegelig last).
Kan skape problemer
For jernbanestrekninger som skal dimensjoneres for en forventet vekst i jernbanetrafikk, vil det i følge masteroppgaven også være et lasttillegg med en faktor α = 1,33.
– En annen ting å bemerke seg er at høyden fra lastene som opptrer skal regnes fra bunn sville, mens det i jernbaneteknisk regelverk oppgis som høyde fra toppen av røret til overkant skinne, sier Johnsen, som peker på at dette kan skape problemer.
FAKTA OM MASTEROPPGAVEN
Masteroppgaven er utarbeidet ved fakultetet for realfag og teknologi ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet, NMBU. Oppgaven markerer avslutningen av det fem-årige studiet innenfor byggeteknikk og arkitektur. Oppgaven er utarbeidet i samarbeid med fagpersoner fra Statens Vegvesen, BaneNor og betongindustrien ved Loe og Basal.
I dag legges gamle og teoretiske prinsipper basert på Boussinesq’s formler (1885) til grunn ved beregning av lastvirkning fra terrenglaster (biler, tog osv) og jordlaster. I masteroppgaven har en av hovedoppgavene vært å benytte moderne dataverktøyer (Finit Elementanalyse) til mer eksakt å simulere lastvirkningene. For å se effekten ved bruk av FEM-programmer sammenlignes resultatene med håndberegningene som er gjort ved bruk av Boussinsq’s teori og med laster fra vegtrafikk eller tog, sville, skinne, samt jordtrykk.
Resultatene som fremkommer i figuren under viser total belastning på rørets krone. Håndberegningene og resultatene fra dataverktøyet PLAXIS viser omtrent de samme tendenser. Liten overdekning over røret resulterer i store spenninger grunnet terrenglasten. Det blir deretter en avtaking til punktet hvor jordmassene har større innvirkning enn terrenglasten. Denne dybden inntreffer ved ca. 2,1m overdekning og den vertikale belastningen vil ved større dybder ha en lineær utvikling for både håndberegninger og bruk av PLAXIS. Ved 2,1m samsvarer håndberegningene og beregningene gjort i PLAXIS godt. Resultatene fra håndberegningene viser å ha en kurve med mindre stigningstall som fører til en hyppigere økning i den vertikale belastningen enn for beregningene gjort i PLAXIS.
Konklusjon
Selv om forutsetningene som er lagt til grunn i PLAXIS må vurderes og kanskje endres noe, viser sammenligning av resultatene at håndberegningene som benyttes i dag konsekvent gir større laster enn resultatene i PLAXIS. Det kan derfor konkluderes med at beregninger i FEM-programmer er en metode for å optimalisere konstruksjonene og vil være både miljø- og kostnadsbesparende.
