Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Industrial bridge construction with cast in place concrete: new production methods and lean construction philosophies
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Structural and Construction Engineering.
2008 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

The construction industry is associated with high costs, low productivity, a lack of quality and low profit margins. Too often the actual cost for a project exceeds the expected cost. Industrialization of the construction industry is said to be the key to success and its definition is often debated, but what is the meaning of industrialization? How should industrialization be realized in the construction industry? Who is responsible for the change within the industry and which benefits can be achieved by industrialization? These are some of the questions brought up during the course of the research project. The project has been financed by VINNOVA´s research consortium "Road/Bridge/Tunnel" and by Swedish Road Administration Business unit Production and Maintenance, Cementa and Betongindustri. SRA has also contributed with resources from the FUD Program (Research, Development, Demonstration). The project has so far comprised different forms of full scale studies, laboratory studies and theoretical work. In the beginning of the project, interviews were carried out with management of construction sites to lay a foundation for the time and cost apportionment of typical bridges, also to examine which common bottlenecks present in production and to examine how large part of the cast in place concrete the self compacting concrete (SCC) constitutes. The interview gave also an insight in how site management views the possibilities for change in construction today. To further find out the time and cost apportionment, ten bridge projects were examined. The results from this study were studied with regards to new production methods. Unit times for SCC were thus compared with unit times for traditionally vibrated concrete, unit times for rebar carpets were compared with unit times for traditionally clenched reinforcement, and also the effects of left formwork were studied. In these theoretical studies it was clear that great potential for changing today's construction business. To try to verify the theoretical results, mainly two full scale studies have been carried out. Te first was a replacement of an existing bridge on the European road No 4 outside Kalix in the northern parts of Sweden. The project was followed and managed by the research team in close collaboration with the client, contractor, designer and material suppliers. The study was comprehensive and started already in the design phase where the bridge was redesigned for new technical solutions aimed for production enhancement. Here prefabricated reinforcement cages to the foundation and SCC to the whole project were used. Also rebar carpets were used for the superstructure. The reinforcement in a typical bridge superstructure of today most often consists of approximately 80% longitudinal reinforcement and 20% shear force reinforcement. The project aimed at examining if it was technically feasible to use rebar carpets and if there were any economical benefits in using it. The aim was also to examine if it was economical to prefabricate reinforcement cages and transport them to the site for placement in comparison to traditionally fix reinforcement piece by piece. An additional objective was to examine the effect on the working environment imposed by the change in working methods. The other full scale project was concentrated on the use of SCC, but also the rebar carpets were examined to some extent. Here, the design phase was not followed by the researchers and no redesign for maximizing the use of carpets was performed. The aim for the project was above all to examine the economic conditions associated with the use of SCC, and to study the working environment in connection to the casting of SCC compared to traditionally vibrated concrete. The accomplished studies were successful. Especially at the bridge in Kalix, a detailed planning could be realized and Lean Construction philosophies were utilized, this proved to be an important factor for the success. Considerable savings in work efforts at site were realized (approximately 80% of the reinforcement fixing time and approximately 67% of the casting time). The total project time was decreased with approximately 20%. Also a lower total cost for the project was achieved. For the project in Nynäshamn the same effects were not realized since the ideas of new working methods and new planning systems came in to late. However, some positive experiences were gained considering the use of SCC and rebarcarpets. The much important working environment was followed up in the project with a special analytical method, ErgoSAM. Large differences in the workload were measured in a comparison between traditional reinforcement fixing and the handling of prefabricated reinforcement as well as when comparing traditionally vibrated concrete with SCC. The largest economic benefit from introducing SCC to a contractor in civil engineering projects is probably on the superstructure of a bridge, since the largest number of workers is needed during casting of traditional vibrated concrete and it is therefore associated with large casting costs. Hence, the number of workers needed for casting can be markedly reduced if SCC is introduced and proper planning has been carried out. However, controversially it is often easier to introduce SCC for foundations, columns or plate structures since these structural parts are less dominant in the construction and the "risk" related to using SCC is small. However, for these smaller less people demanding castings it is more difficult to achieve economical benefits in using SCC. The overall risk using SCC is that the product it is not robust enough, which might result in the concrete does not enclose the reinforcement satisfactory and rework is needed. Probably the largest benefit with using SCC is, as mentioned earlier, the improvement in working environment. Therefore, the economy of the Swedish construction industry and society can benefit significantly from using the right kind of working method during construction. Finally, it was concluded in the project that, to be able to utilize the "new" and improved production methods in a broader approach, it is of importance to apply Lean Construction philosophies at the planning and construction. Preferably a Lean Design Team should be established.

Abstract [sv]

Byggbranschen förknippas ofta med höga kostnader, låg produktivitet, brist på kvalitet och dålig lönsamhet. Allt för ofta blir den verkliga kostnaden för ett projekt högre än förväntat. En industrialisering av branschen nämns ofta som räddningen och dess definition debatteras ofta, men vad innebär en industrialisering? Hur ska en industrialisering av byggbranschen genomföras? Vem bär ansvaret för förändring inom branschen? Vilka fördelar kan förväntas vid en industrialisering? Det är några av de frågor som ställts under projektets gång. Projektet syftar till att undersöka möjligheterna för en industrialiserad byggprocess vid framförallt brobyggnation. Projektet har finansierats av det nationella forskningskonsortiet Väg, Bro, Tunnel (VINNOVA) samt Vägverket Produktion, Cementa och Betongindustri. Vägverket har bidragit med resurser från sitt FUD-program (Forskning, Utveckling, Demonstration).Projektet har hittills omfattat olika former av fullskalestudier, laboratoriestudier och teoretiskt arbete. I inledningen av projektet utfördes intervjuer med platschefer och arbetsledare för att skapa en grund att stå på när det gäller hur tid- och kostnadsfördelningen på vanliga broprojekt ser ut, samt för att få information om vanligt förekommande flaskhalsar och hur stor del självkompakterande betong (SKB) som används och dess för- och nackdelar. Intervjun gav även en allmän inblick i hur platsledningen ser på möjligheterna att förändra dagens byggande. För att ytterliggare ta reda på hur tid- och kostnadsfördelningen såg ut i några fall gjordes en uppföljning av kalkyler för tio broar. Där kunde ses att kostnadsfördelningen var ca 1/3 vardera för form, armering och betong. Resultaten från uppföljningsstudien utvärderades sedan med avseende på "nya" produktions metoder. Enhetstider för SKB jämfördes med traditionell betong, enhetstider för rullarmering från leverantör (från husbyggnad) jämfördes med traditionell armeringsteknik samt effekter av kvarsittande formar utvärderades. Här stod det klart att det teoretiskt finns stora möjligheter att förändra dagens brobyggnation.För att försöka verifiera de teoretiska resultaten har huvudsakligen två fullskalestudier genomförts. Den första var utbyte av en befintlig bro på väg E4 utanför Kalix. Där följdes och leddes projektet av forskare i ett tätt samarbete mellan beställare, entreprenör, konstruktör och materialleverantör. Studien var omfattande och startade i projekteringsfasen där bron omkonstruerades för nya tekniska lösningar för produktion. Här användes förtillverkade armeringskorgar till brons fundament, SKB till hela bron och rullarmering till 80 % av total armeringsmängd i farbanan. Projektet syftade till att undersöka om det var tekniskt genomförbart och om det finns ekonomi i att använda rullarmering i farbanan givet de regler vilka man måste förhålla sig till. Syftet var även att se om det finns ekonomi i att förtillverka armeringsenheter och sedan transportera dem till arbetsplatsen för montage jämfört med traditionellt styckes montage av armering. En ytterliggare målsättning för projektet var att undersöka de effekter på arbetsmiljön förändringen av arbetsmetoder skulle innebära. Det andra fullskaleförsöket var till största delen inriktat på användning av SKB, men även rullarmering provades i viss mån. Här följdes inte projekteringsfasen av bron och ingen omkonstruering genomfördes för att maximera möjligheten för användning av rullarmering. Syftet med projektet var framförallt att undersöka de ekonomiska förutsättningarna för SKB och att undersöka arbetsmiljön i samband med gjutning SKB i jämförelse med traditionell vibrerad betong. De genomförda fullskalestudierna var lyckade. Speciellt vid brobyggnation vid Kalix kunde en utförlig planering ske där bla Lean Construction filosofier tillämpades vilket visade sig vara en viktig framgångsfaktor. Stora förtjänster i inbesparade arbetsinsatser på bygget erhölls (ca 80 % av monteringstid för armering kunde intjänas och ca 67 % av arbetstid för gjutning). Slutresultatet blev minskad total projekttid med ca 20 % och en minskad totalkostnad för brobygget.För projektet i Nynäshamn erhölls inte samma effekter eftersom idéerna med nya arbetsmetoder och upprättande av planeringssystem kom in för sent. Dock kunde vissa positiva erfarenheter dras beträffande självkompakterande betong och rullarmering.Den viktiga arbetsmiljön följdes upp i projektet med en speciell analysmetod, ErgoSAM. Stora skillnader i arbetsbelastning uppmättes med jämförelser av traditionell armeringsmontering med handhavandet av prefabricerad armering respektive gjutning av normal vibrerad betong med självkompakterande betong. Beträffande den självkompakterande betongen är det mycket viktigt att tydliga egenskapskriterier definieras för de olika konstruktionsdelarna. Kriterier bör upprättas för formfyllnad (rörlighet), pumpmöjligheter (undvika blockering) och för resistens mot separation. Dessa skall mötas med en robust SKB dvs. en betong som motstår normala variationer i ingående beståndsdelar samt effekter av transport och gjutning. Vid de aktuella fullskalegjutningarna studerades robustheten och befanns vara god när större gjutningar genomfördes av tex. farbaneplattorna. Uppföljningar i laboratoriet skedde även där speciellt inverkan av fuktvariationer i fingruset studerades. Stor kraft har lagts i projektet på teoretiskt arbete där det har studerats hur Lean Construction filosofier (från Lean Production inom bla. Bilindustrin) kan tillämpas på brobyggnation. Därvid skulle några av de initiellt ställda forskningsfrågorna kunna besvaras: Vad innebär en industrialisering och hur ska den genomföras i ett broprojekt? Finns det några direkta hinder och vad är de viktigaste förtjänsterna? Hur kan nya produktionsmetoder implementeras och hur kan speciellt självkompakterande betong bidra till en ökad effektivitet? Vem bär ansvaret för en förändring inom branschen? Till alla frågor har inte ett utförligt och slutgiltigt svar kunnat erhållas, men ett steg i rätt riktning har tagits vid samtliga frågeställningar. Ett tydligt svar som utkristalliserat sig är, att för att åstadkomma en förändring i branschen kan inte enbart produktionsprocessen studeras. Det går inte heller att förlita sig på att en aktör i ett projekt ska förändra utfallet av projektet utan för att skapa en förändring måste samarbetet mellan inblandade aktörer förbättras och bli mer långsiktigt. Det är ett måste för att kunna öka produktiviteten, lönsamheten och korta byggtiderna. En ökad långsiktig lönsamhet är inte heller under dessa omständigheter förknippad med enbart entreprenören utan även här ska alla inblandade aktörer kunna känna av effekterna av ett bättre samarbete dvs. kunden, konstruktören, underentreprenören, materialleverantören m.fl. Hur ska det gå till att öka lönsamheten på kort och på lång sikt, så att inblandade aktörer kan se att det lönar sig att öka samarbetet och samtidigt arbeta smartare? För bro- och anläggningsbyggande som den här studien ägnar sig åt har det framkommit att det är i de tidiga skedena de stora avgörande besluten tas och där ribban läggs för hur projektet kommer att ta form och så småningom avslutas. Detta för oss in på ansvarsbiten. När det gäller brobyggnation i Sverige är det beställaren dvs. Vägverket Regions olika delområden som ansvarar för projekteringen av olika sträckningar och val av dessa. Redan i detta stadium sker viktiga beslut för det rationella byggandets möjligheter eller begränsningar. Det gäller att t.ex. undvika sträckningsalternativ som ger komplexa brokonstruktioner med ineffektivt byggande som följd. Sådana och liknande projekteringsalternativ gynnar inte ett industriellt arbetssätt. För att komma rätt med alla tidiga beslut är det därför viktigt att skapa en arbetsgrupp där alla parter i ett projekt samarbetar så tidigt som möjligt. I projekteringsgruppen som i den här studien döpts till the Lean Design Team är tanken att samarbetet mellan alla inblandade parter i ett tidigt skede ska säkerställa en byggbarhet med rationella metoder. LDT ska genom projektering säkerställa genomförbarheten med nya och förbättrade arbetsmetoder och se till att alla inblandade parter är införstådda med deras arbetsansvar och att var och en lever upp till sitt ansvar. LDT tillämpar Lean Construction-filosofier dvs. det är genom denna grupp som dessa teorier för ett industriellt byggande kan förverkligas. Här passar som slutord mycket väl det inledande citatet till hela licentiatavhandlingen av W Edwards Deming där han menar: "Det gäller inte bara att göra sitt bästa utan man måste veta vad man ska göra och sedan göra sitt bästa".

Place, publisher, year, edition, pages
Luleå: Luleå tekniska universitet, 2008. , 57 p.
Series
Licentiate thesis / Luleå University of Technology, ISSN 1402-1757 ; 2008:17
Research subject
Structural Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-18631Local ID: 9853a940-1cde-11dd-8384-000ea68e967bOAI: oai:DiVA.org:ltu-18631DiVA: diva2:991640
Note
Godkänd; 2008; 20080508 (ysko)Available from: 2016-09-29 Created: 2016-09-29Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4293 kB)4 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4293 kBChecksum SHA-512
115fa9381fcd15cf1673d2914aa3dea464da7a31e7e61c1916e8c95f8d590a0627ad7128d73b504c033772b0baedd2d0aeddd22a2dd958ab64e96fba2299c5c4
Type fulltextMimetype application/pdf

Search in DiVA

By author/editor
Simonsson, Peter
By organisation
Structural and Construction Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 4 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Total: 13 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link