Broprofessorns sex favoriter: ✓innovation ✓skala ✓skönhet

Raid Karoumi, professor på avdelningen för bro- och stålbyggnad vid KTH,  har jobbat med många av Sveriges alla broar – från mindre kända pärlor till verkliga landmärken och nationalklenoder.

Här berättar han om arbetet med att utveckla framtidens drift och underhåll – och listar några av sina favoriter som han har jobbat med. 

Det svenska brobeståndet blir allt äldre, med många exempel på konstruktioner som är mer än 100 år gamla. Det gäller särskilt på järnvägssidan. 

Trafikverkets årliga kostnad för broarnas drift och underhåll är omkring 1,3 miljarder kronor – en kostnad som riskerar att öka snabbt.

Men nya avancerade mät- och analysmetoder kan öka broarnas livslängd och resultera i färre inspektioner och broförstärkningar. 

– Sverige ligger i framkant när det gäller detta sett i ett internationellt perspektiv, säger Raid Karoumi som har jobbat med att ta fram mättekniker för trafiklaster och lasteffekter på broar sedan han disputerade 1999. 

Det byggs inte lika mycket nytt i dag som under de expansiva årtiondena efter andra världskriget. Dessutom har kvaliteten blivit allt bättre.

– I dag bygger vi broar med en livslängd på 120 år. På 1950-talet var broarna inte dimensionerade för den livslängden. Jag tror de försökte göra sitt bästa men kunskapen om betongens beständighet och svetsning var inte lika bra då som nu, säger han.

– Men det är inte alla broar från 50- och 60-talen som vi har problem med.

Andra faktorer orsakar också problem: saltning, ett aggressivt klimat, en ökad trafikmängd med ökade axellaster och bruttovikter  ökar takten på broarnas nedbrytning.

Den maximalt tillåtna bruttovikten för fordon som färdas på allmänna vägar har ökat successivt, från 33,5 ton på 1950- och 60-talet, till dagens 74 ton.

Under de senaste åren har digitaliseringens möjligheter fått ett allt större genomslag i forskningen kring drift och underhåll.  

– Det handlar om smarta metoder i förvaltningen av befintliga broar. Vi utvecklar algoritmer som kan tolka bilder från drönare – sprickor i betongen, rostangrepp – liksom sensorer som detekterar förändringar, nedbrytningar och sättningar. På ett effektivt och automatiserat sätt kan man sedan sätta tillståndsklass på brons komponenter och på bron i sin helhet, säger han.

Beräkningar och modeller samspelar med mätningar och empiri. Med digitaliseringen och den artificiella intelligensen blir den växelverkan allt viktigare.

– Under de senaste 10–15 åren har beräkningstekniken utvecklats mycket. I dag kan man få beräkningsmodeller med miljontals frihetsgrader som kan förutse beteenden och så vidare. Men man kan inte vara säker på att det byggda beter sig exakt så i verkligheten. Därför är det viktigt att mäta, för att kontrollera så att beräkningarna stämmer med verkligheten, säger han.

Raid Karoumi tycker att Trafikverkets bro- och tunnelförvaltningssystem (Batman) är bra. Men eftersom det bygger på manuella inspektioner blir resultatet också beroende av vem som gjort dem: olika inspektörer kan göra olika bedömningar.

– Men det är inte ett lika allvarligt problem som att det är tidskrävande att inspektera broarna. Det är inte heller alltid lätt att komma åt alla delar som behöver inspekteras. Det ställs stora säkerhetskrav som ofta resulterar i avstängningar av körfält och trafikstörningar i samband med inspektioner och reparationer.

Därför är sensorer och drönare två verktyg som gör stora insteg i broförvaltningsarbetet, påpekar Raid Karoumi. 

– BIM-modellerna som används i design- och byggfaserna kommer att användas mer och mer i driftsfasen också, säger han och tillägger att det också gäller sådant som digitala tvillingar och andra visualiseringsmöjligheter som kopplar samman alla datadimensioner till en helhet.

–  Sensorbaserad tillståndsbedömning finns redan i dag. I moderna bilar så får du en varning där du ska byta olja, läsa av trycket i däcken, hur du sliter på motorn eller bromsarna beroende på hur du kör. Det är likadant med broar. Tekniken finns, det handlar bara om att tillämpa den.

Alla algoritmer måste – i olika utsträckning – anpassas till specifika förhållanden och specifika broar och just deras problem och fenomen: utmattning, korrosion, uppsprickning, sättning, vibrationer.

– Man måste göra handpåläggning: hur mycket som ska mätas, hur ofta, var och vad.

Hur långt borta är detta från en svensk horisont?

– Trafikverket har inte resurser att implementera detta fullt ut nu. Men när det gäller till exempel broar som bedöms vara i tillståndsklass 3, alltså har bristfällig funktion vid inspektionstillfället och måste utredas inom tre månader, eller broar som har brist i bärighet, så kommer detta att bli mer och mer vanligt. Det är broar med stora trafikvolymer och som har skador i bärande konstruktionselement som först kommer i fokus.

– Men jag tror att om 30–50 år så kommer alla broar som byggs att ha sensorer. Vi arbetar parallellt med utvecklingen av appar och andra digitala verktyg i förvaltningen.

Ett mål är att upptäcka skador och fel tidigt, sådant som inte enkelt går att se ännu med blotta ögat. 

En svårighet ligger i att bedöma vad dessa appar eller verktyg ska larma om och när. Och det menar Raid Karoumi en av de viktigare knäckfrågorna för framtiden.

– Det går inte att ha en standard utan det måste vara brospecifikt. Men detta är ett hett forskningsområde, hur man ska hantera och ta hand om den enorma mängd data som sensorerna kontinuerligt levererar och nyttja det för tillståndsbedömning. Frågan är också var man ska sätta varningsgränsen. För högt – och bron riskerar att rasa med följd att människor skadas eller dör. För lågt – och varningarna kommer för ofta med resultatet att inspektörer skickas ut och som ständigt rapporterar att ingenting har hänt. Det gäller att hitta en optimal nivå.

Det finns dock andra områden där Sverige inte ligger  i framkant – och det främst av regeltekniska skäl, menar Raid Karoumi.

Det handlar om användning av innovativa material i broar som exempelvis glasfiberarmering som inte rostar och därmed inte kräver så stora täckande betongskikt, kan med fördel användas i utsatta brodelar såsom kantbalkar) eller så kallad ”grön betong” [se exempelvis Samhällsbyggaren 4/2021] eller 3d-printing, robotar och liknande.

– Regelverk hindrar innovationer i de här fallen, konstruktörer törs inte föreslå och testa nytt. Alla är medvetna om problemet, inklusive Trafikverket, säger han.

– Men det utvecklas byggrobotar av ABB och Skanska som kan svetsa armeringskorgar. Dessutom jobbas det mycket med att förfina algoritmer för designprocessen. Så kallade designrobotar som på kort tid kan ta fram tusentals fullt färdiga broförslag och välja ut optimala lösningar som minimerar mängden armering och betong.

Sådant kan minska klimatpåverkan och kostnaderna.

Det gäller också rosttrögt stål eller cortenstål. KTH-studenterna Olivia Siklander och Anna Åqvist analyserade färdigställandet av Flottsundsbron i Uppsala och kunde i det resulterande examensarbetet  visa att just det materialet var bäst ur ett livscykelanalytiskt perspektiv, både vad gäller klimat (LCA) och ekonomi (LCC), jämfört med konventionellt och rostfritt stål. 

1. Västerbron

Bron är en av Stockholms mest tongivande landmärken och fyller snart 90 år.

– Den har en sådan vacker estetik, med sina  vackra nitade stålbågar som passar fantastiskt bra in i landskapet. Man har svårt att tänka sig Stockholm utan Västerbron, säger han.

– Går du nära stålbågen och tittar på nitarna, så ser du att det är som ett konstverk. Det skulle aldrig byggas en likadan bro på samma sätt i dag.

Raid Karoumi har arbetat med bron genom forsknings- och utvecklingsprojektet iBridge, ett samarbete mellan akademi (KTH), broförvaltare (Trafikkontoret i Stockholms stad och Trafikverket) och näringsliv (IoTBridge AB och Cnet Svenska AB). Syftet var att främja mätningar för att bedöma bärförmågan hos broar – och om möjligheterna med en digitaliserad förvaltning av dem. Finansieringen kom från InfraSweden2030, en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.

– Det var inget problem med bron och det var fantastiskt att få jobba med den, säger Raid Karoumi.

Han berättar att mätningarna gjordes med ett trådlöst sensorsystem som registrerar data med en frekvens av 50 gånger per sekund. Med detta som grund byggde teamet upp ett helt automatiserat övervakningssystem som skickar all data till molnet för analys. Datan analyserades kontinuerligt av smarta algoritmer och resultaten presenterades löpande i en egenutvecklad app.

– Vi byggde ihop hela kedjan: den senaste sensortekniken, molntjänster, analyser och algoritmer. Vi plottade brons tillstånd och visualiserade detta i appen. Där kunde vi också lägga in larmnivåer, som signalerar när något behöver åtgärdas.

 

2. Klaffbron Vänersborg

iBridge-projektet (se ovan) avslutades 2021. Men erfarenheterna från det och mätningarna på Västerbron appliceras just nu på en järnvägsbro i Vänersborg – även denna med både historia och karaktär. 

Det är en klaffbro som är en kopia av en konstruktion i Chicago av den amerikanske ingenjören Joseph Strauss – mannen som är mest känd för att ligga bakom Golden Gate-bron i San Fransisco. 

Och visst är det ett Vänersborgskt monument, denna bro som också går under benämningen tyska bron. Men den drygt 100 år gamla bron har haft ett slitigt liv, och har reparerats många gånger under det senaste årtiondet. 

Över den passerar fortfarande ett stort antal tåg dagligen, även tåg som X2000, vilket de uppkopplade sensorerna registrerar och därefter redovisar i realtid.

– Gränssnittet visar hur stora spänningarna är när den är nedfälld, när tåg passerar och när den är uppfälld, säger Raid Karoumi samtidigt som han demonstrerar dataströmmen från de olika mätningarna.

Antalet sensorer är här 22, fler än på Västerbron, och dessutom har mätningar för temperatur och vind lagts till. 

– Det ska komma ett tåg om en minut, säger han, men ändrar sig snabbt.

– Nej, det är tydligen inställt. 

Övervakningsprojektet leds av IoTBridge AB och med KTH som samarbetspartner.

Brons protofunktionalistiska estetik har dock inte uppskattats av alla. I Svenska Järnvägsföreningens minnesskrift 1876–1926 står det: ”I varje läge en ful siluett.”

 

3. Högakustenbron

När den stod färdig 1997 var den världens nionde längsta hängbro. Fortfarande är den längst i Sverige med ett huvudspann på 1210 meter. Den ligger också i höjdtoppen med sina pyloner på 180 meter. 

– Det är en väldigt vacker bro, och byggdes med Golden gate som förebild, säger Raid Karoumi.

Konstruktionstekniskt är den också säregen. Hela den 1800 meter långa upphängda farbanan har endast fasta stöd i ändarna, alltså inga vertikala upplag vid pylonerna. Men just det som var unikt visade sig också kunna orsaka problem. Inspektionerna visade att teflonskiktet i brons lager slets oväntat fort. Myndigheten ville veta varför.

Raid Karoumi hade utvecklat ett system för att mäta brovibrationer och trafiklaster – vilket anpassades och användes för arbetet.

– Med hjälp av mättekniken går det att upptäcka orsaken till slitage. På Högakustenbron hade vi sensorer som mätte fordonens vikt, vibrationer och krafter i hängarna samt en kamera som registrerade när fordon passerade, exempelvis överlastade fordon, berättar han.

Bilderna på fordonen kunde då kopplas samman med mätdata som sammantaget gav forskarna en bild av krafterna och rörelserna som orsakade slitaget. Fordon som kör in över bron orsakar mycket stora dynamiska impulslaster pga. ojämnheter vid övergångskonstruktionen.

– Farbanan rör sig och blir längre eller kortare på grund av belastningen. De dynamiska rörelserna av farbanan i längsled i kombination med de vertikala impulslasterna över lagren tros vara orsaken till lagerslitaget. 

– Det blir som en osthyvel, rörelser i längdled. Nu har Trafikverket bytt lagren, konstaterar han.

 

4. Strömsundsbron 

– När den byggdes var det den längsta snedkabelbron i världen, och anses allmänt vara den första moderna snedkabelbron. Den representerar ett stort steg in utvecklingen av snedkabelbroar, säger Raid.

Under de sextio plus åren har kablarna korroderat och håller nu på att bytas ut. Raid kontaktades av Trafikverket som ville undersöka vilka krafter som upptas i kablarna.

– Då gjorde vi mätningar med accelerometrar och kunde på så sätt räkna ut kablarnas frekvenser och sen från dessa frekvenser kunde vi med enkla samband räkna ut kabelkrafterna. 

Trafiklasterna fördelas av betongfarbanan till de längsgående stålbalkarna som sen för vidare krafterna till kablarna och pylonen.

– Strömsundsbron har slanka pyloner som kablarna vilar på, säger han och berättar att kablarna är infästa i tvärbalkar under farbanan, som har samma lutning som kablarna.

 

5. Nya Svinesundsbron

Svinesundsbron förbinder Sverige och Norge och är både en funktionell och symbolisk förbindelse över sundet som delar länderna. Raid Karoumi var med under arbetet med den nya bron – som kompletterade och ersatte den gamla bron från 1946 – innan den öppnade för trafik 2005.

– Den är fantastisk, ett mycket vackert strukturellt system.

Raid visar flera egentagna fotografier under arbetet med bron – inte minst några spektakulära klipp när topsegmentet av bågen färdigställdes.

Det är alltså en enkelbåge som delar vägbanorna, ett arkitektoniskt val som Raid Karoumi tycker är särskilt lyckat i det omgivande landskapet.

– Åker man över bron så ser man tyvärr inte vilken vacker bro det är, säger han.

Raid Karoumis roll var att utveckla och installera ett permanent övervakningssystem med över 70 sensorer som ska hålla koll på brons töjningar, rörelser och svängningar. Han var också ansvaring för att genomföra en omfattande provbelastning.  

– Jag ringde Volvo Lastvagnar som frågade vad jag behövde: åtta fullastade lastbilar. Det enda motkravet var att deras tidskrift Globetrotter, som kom ut på 21 språk, skulle få skriva om provbelastningen. Det blev flera uppslag och många bilder, vilket var fantastiskt.

 

6. Sandöbron

Det var världens längsta bågbro när den invigdes 1946 – ett rekord som den höll i 21 år. Och den är fortfarande ett mycket imponerande byggnadsverk. 

Det första försöket att bygga bron slutade katastrofalt, då den feldimensionerade och instabila träformen gav vika när den fylldes med betong. 18 arbetare dog, en tragedi som kom att fördunklas av utbrottet av andra världskriget 1 september 1939 – dagen efter olyckan.

Inför den nya bron stagades den nya träformen upp med träpelare som grundlagts på fundament i älvfåran.

Text: Fredrik Hielscher

 

Om Raid Karoumi

Professor på avdelningen för bro- och stålbyggnad vid KTH.

Har forskat och undervisat på KTH sedan 1999.

Har utvecklat metoder för analys av vibrationer i broar orsakad av trafik, inklusive dynamisk interaktion mellan fordon och broar. Har också utvecklat verktyg för LCC och LCA analyser för broar.

Vidare har han forskat på instrumentering och övervakning av broars tillstånd.

Har ensam och tillsammans med andra skrivit fler än 180 artiklar, rapporter och böcker. 

 

Varför broar?

– Människor fascineras av stora konstruktioner: höga hus, långa broar och så vidare. Sedan är det den ingenjörsmässiga utmaningen i det som är högt och långt. Då vill man veta: Hur funkar det där?

– Om jag är på en fest och berättar för bordsgrannen att jag är professor i brobyggnad så är det kört – då kommer vi att prata broar resten av kvällen.