På kort tid har den innovativa träbron BIFROST uppmärksammats i byggbranschen. Den kreativa broidén togs fram av ett team av ingenjörer, arkitekter och offentliga aktörer och vann en innovationstävling. FEM-Design var ett av verktygen för att kunna realisera idén till tävlingsbidraget där analyserna på brokonstruktionen gick mycket snabbt.
Hur kan man bygga en gång- och cykelbro i lättviktsmaterial och som passar i det allmänna rummet och har minimal miljöpåverkan? Den frågan ställde innovationstävlingen InfraLIGHTer Awards förra året.
Ett av bidragen var BIFROST, en nyskapande brolösning i trä som var ett samarbete mellan ingenjörer, arkitekter, högskola och Stockholms stad. BIFROST vann också tävlingen. En av deltagarna i det vinnande teamet var konsultföretaget TBS Timber Bridge Specialists.
Vi tog fram en modulär träbrokonstruktion där varje del är omkring fyra meter, berättar Kristoffer Ekholm på TBS. Då underlättas både inköp och transporten till byggplatsen och konstruktionen blir också materialeffektiv. Vid en eventuell reparation byter man ut de skadade delarna utan att riva bron och det behövs inga specialmaskiner. Livslängden förlängs och minskar resursutnyttjandet av naturtillgången trä, som också är klimatsmart och ger en estetisk tilltalande form.
Rendering av beräkningsmodell för BIFROST i FEM-Design. Bild: TBS.
Sinnrik konstruktion
Sedan BIFROST kammade hem vinsten arbetar Kristoffer och hans tre medarbetare med att realisera konceptet till en säljbar produkt. Bron är 40 meter lång och består till största delen av trä, limträbalkar, och resterande delar av stål. Farbanan består av trapetsprofilerad stålplåt, också i fyra meters längder, och är träbeklädd. För att stabilisera konstruktionen finns ett antal detaljer i stål, till exempel vindkryss och dragstag. Valet av plåt i farbanan minskar brons vikt och klarar långa spännvidder och höga laster med liten mängd stål.
För att beräkna lastpåverkan analyserade Kristoffer konstruktionen i FEM-Design, till exempel statiska beräkningar av snittkrafter och dynamiska analyser av brons egenfrekvens, som använts till underlag för dimensionering och kontroll mot standarder och normer.
På en bro med trafik uppstår hela tiden rörliga laster där varje element påverkas olika mycket och utsätts för en varierande mängd drag- och trycklaster samt böjmoment. Därför måste analysen ske av hela konstruktionen och inte varje del för sig.
Jag har skapat egna unika sammansatta tvärsnitt i FEM-Design, berättar Kristoffer. Då får jag ett effektivt sätt att bygga upp modellen med hjälp av tvärsnitten, till exempel av sammansatta limträbalkar i olika konfigurationer.
Sekundsnabb FEM-analys
Det leder till ett effektivare arbetsflöde. Men det är också själva analysen som gav tidsvinster.
Det går väldigt, väldigt fort att köra analyser på bron, konstaterar Kristoffer. En analys med rörliga fordonslaster tog bara 37 sekunder!
Men så arbetade han inte med en särskilt komplicerad konstruktion med en mängd detaljer som fjädrar, kopplingar eller olinjära materialegenskaper.
Med den nya versionen, FEM-Design 22, har beräkningstiden förkortats markant. Vi låg i startgroparna och inväntade den nya funktionen, att lägga till och ta bort element i ”Construction stages”, som vi skulle använda i ett projekt där vi arbetar med gamla hängkabelbroar i Dalarna.
Ett projekt är Sveriges längsta hängbro i trä med ett spann på 126 meter, kyrkbron i Dala-Floda, som Kristoffer och hans medarbetare analyserar inför kommande reparationer. Vad händer med bron om någon trädel plockas bort och ska ersättas med en ny, vad händer i spännkablarna, med farbanan, kommer den att glida isär? Nödvändiga frågor som ger vägledande svar i programmet för Kristoffer och en av medarbetarna som kör analyserna.
Normalkraftsfördelning av beräkningsresultat för BIFROST i FEM-Design. Bild: TBS.
Enkelt ta fram kundanpassade brovarianter med API
BIFROST är en modulär brolösning som kan utformas på olika sätt efter kundens behov, lyfter Kristoffer fram. Brons båge kan placeras under eller över farbanan i en under- eller överspänd konstruktion, bron kan ha olika längd, bredd och höjd och farbanan kan ha annat material än stålplåt och liknande egenskaper. Då uppstår en mängd varianter där ingenjörerna på TBS kommer att dra nytta av FEM-Designs API.
Vi arbetar nu med att parametrisera BIFROST-projektet för att vi lättare kan ta fram en kundspecifik lösning med Grashopper, Rhino och API:et. Då kommer vi erbjuda vår brolösning till marknaden på ett lätthanterligt sätt. Vi ser en jättepotential att kunna parametrisera på det här sättet.
Även om TBS inte har haft FEM-Design särskilt länge i sitt programbibliotek, har de på kort tid fått god kontakt med StruSofts programutvecklare.
De är lyhörda och lyssnar till våra förbättringsförslag, till exempel tolkning av långtidsdeformationer i trä.
En god relation som bidrar till att FEM-Design blir ett ännu effektivare redskap för användarna och för TBS på sin resa för att cyklister och fotgängare, även bilister och kollektivresenärer, lättare ska kunna ta sig fram på vackra och funktionella träbroar.
Kundporträtt
Kristoffer Ekholm. Bild: TBS.
Kristoffer Ekholm är civilingenjör och teknologie doktor vid Chalmers tekniska högskola. Han disputerade inom konstruktionsteknik med inriktning mot tvärspända träbroplattor.
Under utbildningen till civilingenjör växte Kristoffers intresse för finita elementberäkningar. Han ägnade stor del av doktorandstudierna till olika FE-beräkningar, från komplexa olinjära solidmodeller till enklare linjära plattanalyser. Därefter har han utvecklat egna beräkningsrutiner för rörliga laster på ortotropa plattor.
Efter examen har Kristoffer arbetat som brokonstruktör på Vägverket Konsult, Vectura och WSP och varit projektledare för projekteringen av Hisingsbron på Göteborgs stad. Han är medgrundare och VD för konsultföretaget TBS Timber Bridge Specialists AB, som använder FEM-Design som ett av sina primära analysverktyg.
Teamet för BIFROST består utöver TBS Timber Bridge Specialists AB av KTH/Institutionen för Byggvetenskap, Funkia AB, Gaia Arkitektur AB, Trafikkontoret och Stockholms stad.
© Love Janson
