Analysis of post-tensioned concrete box-girder bridges : A comparison of Incremental launching and Movable scaffolding system

• Main Authors: El Hamad, Hamad, Tanhan, Furkan
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Bro- och stålbyggnad 2018
• Subjects: Movable scaffolding system; MSS; Incremental launching; post-tension; prestress; slen- derness; box-girder; Stockholm Bypass; Etappvis lansering; efterspänning; förspänning; slankhet; Förbifart Stockholm; Civil Engineering; Samhällsbyggnadsteknik; Infrastructure Engineering; Infrastrukturteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-233168

When designing a bridge it is of high importance that the geometry for the cross section is optimized for the structure. This is partly due to the influence of the amount of material needed and its impact on the budget and environment. The influence of choosing the right amount of each material lies in the unit-price of the different material, where they can differ significantly. The Swedish Transport Administration, Trafikverket, has ordered the construction of Stockholm Bypass which is one of Swedens largest infrastructure project and is valued to 27.6 billion SEK according to the price index of the year 2009. The infrastructure project is divided into multiple projects where one of them is assigned to Implenia and Veidekke through a joint venture (Joint venture Hjulsta, JVH) and is valued to nearly 800 MSEK. The reference bridge that is used in the analysis of the master’s thesis is a part of the project. The aim of this masters thesis was to analyze and compare the two construction methods, mov- able scaffolding system (MSS) and incremental launching for the reference bridge with respect to amount post-tensioning and slenderness. Furthermore, an economical comparison between the two construction methods was carried out based on the obtained results. The analysis of the MSS was carried out by modeling the reference bridge structure in the finite element software SOFiSTiK AG. The bridge was modeled with different cross section height, i.e. different slenderness where the optimal amount of post-tension tendons could be determined by iteration until stress conditions from the Eurocode were fulfilled. For the incremental launching method, a numerical analysis was performed. The optimal amount of required post-tensioning was evaluated in the construction stages and final stages with different construction heights i.e. different values of slenderness. A cost analysis was also performed where the aim was to analyze how the total cost of the construc- tion of the bridge would be influenced by the different slenderness of the bridge as a comparison for the two construction methods. This was done by dividing the costs into fixed costs and variable costs. The results showed that the structural rigidity had a large influence on the required amount of prestressing steel for both construction methods. In other words, the smaller the cross section the more prestressing steel was required. Incremental launching proved to require a much greater amount of (PT) tendons compared to the MSS although the identical cross sections and properties for both methods, except for the PT. The prestressing for incremental launching is generally by centrical prestressing during the construction stages. A intersection point was obtained in the cost analysis for the construction methods. The incremental launching was the cheaper solution for slenderness smaller than the intersection point at slenderness between 17 and 18. The MSS was cheaper than the incremental launching for slenderness larger than the intersection point. === Vid dimensionering av tvärsektioner i broar är det av stor vikt att optimera geometrin avseende materialåtgång då mängden material har stor på verkan på ett projekts budget samt miljö. Eftersom konstruktioner ofta består av olika byggnadsmaterial gäller det vid optimering att välja byggnadsmaterialen genom optimerad proportionalitet. Förbifart Stockholm, beställt av Trafikverket, är ett av Sveriges största infrastrukturprojekt och värderas till 27,6 miljarder kronor enligt 2009 års prisnivå. Infrastrukturprojektet är uppdelat i flera mindre entreprenader eller så kallade etapper. Den entreprenad som omfattar trafikplats Hjulsta Södra har blivit tilldelat till Implenia och Veidekke genom ett konsortium (Jointventure Hjulsta, JVH) och värderas till cirka 800 miljoner kronor. Den förspända betongbro som byggs i trafikplats Hjulsta ligger till grund för analysen i detta examensarbete och har använts som referens under vår studie. Syftet med examensarbete var att analysera och jämföra två de två olika produktionsmetoderna, Movable scaffolding system (MSS) och etappvis lansering med hänsyn till erforderlig mängd förspänningskablar och slankhet. Vidare, baserat på erhållna resultat, utfördes en ekonomisk analys och jämförelse mellan produktionsmetoderna. Analysen av MSS utfördes genom att modellera brokonstruktionen i mjukvaruprogrammet SOFiSTiK AG som bygger på finita elementmetoder. Konstruktionen modellerades för olika slankheter, där slankheten definieras som kvoten mellan maximala spannlängden och brons tvärsnittshöjd. Spannlängden hölls konstant medan tvärsnittshöjden varierade för att erhålla olika slankheter. Den optimala slankheten bestämdes genom iterering av mängd förspänningskablar tills spänningsvillkoren var uppfyllda enligt Eurocode. För analysen av etappvis lansering utfördes en numerisk analys vars den optimala mängden förspänningskablar utvärderades i byggskedet (construction stages) samt i slutskedet (final stage). Analysen utfördes på samma sätt för de olika slankheterna. Slutligen genomfördes en konstandsanalys för de olika metoderna. Syftet var att jämföra hur den totala kostnaden för uppförandet av brokonstruktionen skiljde sig för de olika slankheterna. Jämförelsen genomfördes genom att dela upp de olika kostnaderna i fasta kostnader samt rörliga kostnader. Resultaten från analysen visade att den erforderliga mängd förspänningskablar som behövs i en förspänd betongbro är beroende av den strukturella styvheten i tvärsektionen. En högre slankhet, alltså lägre tvärsnittshöjd, ger lägre styvhet och därav mer erforderlig förspänningskablar. Etappvis lansering visade sig vara den metod som krävde mer mängd förspänningskablar. I resultaten för kostnadsanalysen uppmättes en skärningspunkt, för en slankhet mellan 17-18, mellan de två olika metoderna. För förspända betongbroar med slankhet lägre än skärningsupunkten vid 17-18 är etappvis lansering det billigare alternativet. För slankheter högre än 17-18 är MSS det mer ekonomiskt lönsamma alternativet.