Hem Teknik När bron blir tunnel

När bron blir tunnel

Nya Slussen
Infartsrampen till den nya bussterminalen med en detalj över den spännarmerade bron som placeras tätt intill Stadsgårdsbranten.

Nya Slussen i Stockholm bjuder på flera tekniska utmaningar. I bergentreprenaden ingår en insprängd bussterminal och en betongbro för Saltsjöbanan som klassas som ett tunnelprojekt. Med hjälp av konstruktör Jenny Andersson på WSP lyfter vi fram de intressantaste detaljerna.

Text: Roger Andersson och Jenny Andersson. Bild: WSP.

Nya Slussen består av tre entreprenader: berg, land och vatten. ELU har lagt beslag på Land och Vatten medan WSP fått tilldelat sig delområde Berg.

Bergentreprenaden domineras av den nya bussterminalen som sprängts ut ur Katarinaberget på Söder. Här finns upp till 24 meter spännvidd mitt under tätbebyggt område. Det ligger även nära andra befintliga underjordiska hålrum som Katarinagaraget alldeles bredvid.  Tio meter ovanför ligger Prinsengaraget och tio meter från terminalens norra vägg börjar grundläggningen till KF-huset. Man har också den k-märkta Stadsgårdsbranten att ta hänsyn till.

Det här har gjort att sprängningarna fått göras i små etapper med noggrann övervakning med vibrationsmätare. Man har heller inte kunnat etablera fler än en arbetstunnel som fått kompletteras med ordinarie tunnelmynning. Men två tunnlar för att få ut schaktmassor är i underkant.

Bussterminalen har sex ankomstplatser på ena sidan av vänthallen och 17 avgångsplatser på den andra. Vänthallen har dörrslussar som skapar en säker och bullerfri inomhusmiljö.

Två år har det tagit att spränga ut den nya terminalen och ytterligare två år tar det att få in alla tekniska installationer. Det blir rätt trångt med utrymmet när sprinklers ska installeras med värme och ventilation, detektorer för gas och rök, kameraövervakning och den automatiska ventilationen som slås på vid en eventuell brand.

Öppningen till bussterminalen skär snett in genom Stadsgårdsbranten och korsar samtidigt Saltsjöbanans spår. Det har lösts genom en bro som ska byggas parallellt med Stadsgårdsleden där Saltsjöbanan får komma upp i höjden med bussarna nedanför.

Bron skulle från början vara en fackverksbro i stål, men det alternativet föll bort. En orsak var underhållet i form av målning som blir rätt komplicerat med pågående trafik i alla led. Men en annan orsak var att beställarna tyckte att stålbron inte var lika snygg som en betongbro.

Betongbron blir i efterspänd betong med en hel del tekniska utmaningar. Det går till exempel inte att spänna kablarna från två håll. Dessutom måste den dimensioneras enligt tunnelnormen och måste stå emot både brand och explosioner. En annan utmaning är kravet att hela Slussen ska var ritningslöst och all projektering måste ske i BIM.

Jenny Andersson, ansvarig konstruktör på WSP har valt ut fem detaljer som beskriver utmaningarna med den spännarmerade bron.

Detalj 1: Spetsiga hörnet

Bron dimensioneras som en snedvinklig spännarmerad trågbalkbro i ett fack. Den stora snedvinkligheten på 158 grader beror på infartsrampens sneda vinkel mot Stadsgårdsbranten vid infarten i bergtunneln.

Planvy över bron
Planvy över bron.

En stor snedvinklighet medför flera olika problem för konstruktionen. Upplaget för den ena huvudbalken hamnar ungefär vid ¼-dels punkten på den andra huvudbalken vilket leder till komplexa deformationsmönster som måste analyseras. Snedvinkligheten bidrar även till att ett av balkens hörn blir spetsigt och svårt att armera med tillräckliga förankringslängder mm.

Vid en FEM-analys (Finita Element Metoden-analys) uppstår även lokala effekter vid dessa spetsiga hörn på grund av formen på elementen. Elementen i en FE-analys fungerar som bäst när de är regelbundna och så kvadratiska eller liksidigt triangulära som möjligt. Med spetsiga hörn krävs därför en väldigt fin elementindelning som i sin tur skulle leda till väldigt långa körningstider för FE-analysen.
Vid FE-analysen måste därför rätt antaganden göras för att få en tillförlitlig modell samt noggrann kontroll av resultaten för att upptäcka eventuella effekter som uppstår på grund av elementernas storlek och form.

Detalj 2: Den låga tyngdpunkten

Bron är placerad mellan stadsgårdsbranten och Stadsgårdsleden. Spårlinjen i plan är ungefär densamma som tidigare (innan avstängningen av Saltsjöbanan). Detta medför stora begränsningar i den geometriska utformningen av bron. I elevation går spårlinjen med maximal lutning för att få största möjliga öppning för trafiken på infartsrampen.

Trots detta utformas bron som en trågbalkbro med ett tvärsnitt i form som ett ”U” istället för den vanligare formen ”H” för spännarmerade trågbalkbroar. Den valda utformningen är den enda möjliga utformningen med hänsyn till fritt utrymme under bron och spårets lutning.

Sektion där brons tvärsnitt visas. Notera även de små avstånden mellan tågets konturer och huvudbalkarnas insidor som enbart tillåter utrymmning åt ett håll.

Vad gäller bredden på huvudbalkarna så begränsas dessa av stadsgårdsbranten på ena sidan och Stadsgårdsleden på den andra sidan. Detta leder i sin tur att maximal bredd på huvudbalkarna är 800 mm.

Att ens kunna få till en spännarmerad betongbro på denna plats innebar att man var tvungen att frångå utrymningskraven enligt SÄK (norm för SLs spårbärande byggnadsverk) på sidan mot stadsgårdsbranten. Med anledning av detta måste eventuell utrymning av tåg på bron enbart ske åt ett håll (mot Stadsgårdsleden).

Detalj 3: Efterspänning från ett håll

Vid dimensionering av spännarmering finns många kritiska aspekter, exempelvis förluster i spännkablar, spjälkarmering vid spännkablarnas förankringar och spänningskrav i brukgränstillståndet. För en spännarmerad bro är avståndet från brotvärsnittets tyngdpunkt till spännkablarnas tyngdpunkt en avgörande faktor för antalet spännkablar samt deras dimensioner.

Vid de aktiva och passiva förankringarna av spännarmeringen krävs mycket spjälkarmering och sugarmering för att ta upp de lokala krafter som uppstår i detta område. Med den mängd armering som behövs är det en utmaning att hitta en armeringsutformning som fungerar.

Det begränsade utrymmet som förhindrar andra geometriska utformningar för bron medför att brons tyngdpunkt hamnar lågt. Detta i sin tur leder till att vi får en liten hävarm av spännkablarna och därför får en mindre effekt av varje spännkabel. Därför behövs relativt många spännkablar i bron.

En stor utmaning för denna konstruktion var att uppfylla spänningskraven i brukgränstillstånd. Med anledning av geometrin krävdes mycket arbete för att hitta en spännkabelföring och ett antal spännkablar som uppfyllde spänningskraven. Slutligen hittades ett fungerande alternativ med tio spännkablar i vardera balk.

Med så många spännkablar i en relativt smal balk är det inte möjligt att förankra samtliga spännkablar i ett snitt vid balkens ändar, passiva förankringar fick istället användas.

Nackdelen med passiva förankringar i detta fall är att spännkablarna enbart kan spännas från ett håll vilket ger större spänningsförluster till följd av relaxation och krypning i kablarna. Dessutom krävs extra sugarmering för att ta upp de dragkrafter som uppstår vid de passiva förankringarna.

Brons smala balkar leder även till att mycket spjälkarmering behöver läggas in vid spännkablarnas ändar för att undvika spjälkning av betongen. Detta i en bro som på grund av sin geometri och snedvinklighet redan var i behov av mycket armering vid huvudbalkarnas ändar (där spännkabarnas förankringar är placerade).

En stor utmaning var därför att hitta en armeringsutformning som möjliggör en bra gjutning och bearbetning av betongen samtidigt som stora mängder armering skulle få plats på en liten yta.

Detalj 4: Dimensioneras med tunnel-normer

Brons placering i direkt anslutning till tunnelmynningen medför att bron räknas som en förlängning av tunneln. Detta innebär att bron ska dimensioneras enligt Krav Tunnelbyggande istället för Krav Brobyggande som är standard för broar. I stora drag innebär detta att bron ska dimensioneras för ytterligare några laster som inte beskrivs i Krav Brobyggande.

Två exempel på olyckslaster som behöver kontrolleras enligt tunnelnormen men inte bronormen är dimensionering med avseende på explosion samt dimensionering med avseende på brand.

Bron skall alltså klara av att en gas-driven buss skall kunna stå under bron och brinna utan att bron rasar. Kraven på dimensionering för brand gäller för samtliga delar i bergutrymmet och inte enbart för bron utan alla konstruktioner i bergrummet.

För att en konstruktion skall klara att motstå brand finns olika metoder, t.ex. inblandning av polypropylenfibrer i betongen, användning av brandskyddsskivor alternativt dimensionering med utökat täckande betongskikt och offerlager.

Detalj 5: Ritning i BIM

Den sista utmaningen i projektet är att ingen leverans av ”vanliga” 2D-ritningar sker. Leverans av geometrier och armering sker enbart med hjälp av byggmodeller i 3D. Hela projektet är därför modellerat i 3D och för betongkonstruktionerna är all armering modellerad.

All armering i bron modelleras i 3D då projektet är ritningslöst.

Denna typ av leverans ställer höga krav på såväl projektörer som entreprenörer och beställare. En stor fördel med att rita upp allt i 3D är att eventuella krockar med mera upptäcks redan under projekteringen och kan lösas i ett tidigt skede. Dock måste entreprenören ha rätt verktyg på arbetsplatsen för att klara av att bygga utan hjälp av traditionella 2D-ritningar vilket blir allt vanligare.

För just denna bro i Slussen har 3D-modelleringen varit väldigt hjälpsam för att se hur tätt det blir mellan armeringsjärn i till exempel förankringszoner där det måste läggas in mycket armering för att klara spjälkning.

Det är även visuellt bra för beställare samt alla som jobbar i projektet att kunna se helheten på ett tydligare sätt med 3D-modeller än 2D ritningar, till exempel så är det lättare att se hur olika konstruktionsdelar ansluter till varandra och hur vi möjliggör plats för uppspänning av kablar, inspektion, lagerbyte med mera.