Vindlast og vindeffekter på hengebru

Abstract

En av de største utfordringene når en skal dimensjonere store konstruksjoner, som hengebruer, er vindlast. Det er derfor viktig å ha gode kunnskaper om oppbygning av bruer, samt vindens oppførsel ved hindringer som hengebruer. Det var først etter kollapset av Tacoma Narrows Bridge i 1940, at en begynte å fokusere på aerodynamisk atferd, da dette viste seg å være en meget viktig faktor for brukonstruksjoners utforming, spesielt for tverrsnittet av brukassen. Samtidig har torsjonsstivhet i brukassen og stivheten i selve hengebrua mye å si for oppførselen den vil ha som følge av dynamisk vindlast. For å undersøke oppførselen til hengebruer er det i dag normalt å lage en modell av brua, inkludert alle detaljer og utføre tester i vindtunnel. Slik kan en finne formfaktorer som benyttes i beregninger for løft-, drag- og momentkrefter på bruer. Lysefjordbrua i Forsand kommune, Rogaland, har et hovedspenn på 446 meter og ble åpnet i 1997. For Lysefjordbrua ble disse formfaktorene hentet fra elementmodell laget i programmet Alvsat av Statens Vegvesen.

Oppgaven omhandler en fordypning i vindeffekter på Lysefjordbrua med vekt på: • Lastbæringskarakteristikk for hengebruer under statisk last og dynamisk last • Dynamiske egenskaper som for eksempel egenfrekvenser og svingeformer • Analyse av vinddata hentet direkte fra Lysefjordbrua for ulike vindfenomener

For analyser er vinddata rundt brua hentet fra ulike anemometre installert på Lysefjordbrua i november 2013. Analyser viser hvordan vinden oppfører seg i topografien rundt Lysefjorden, samt når den treffer på hengebrua. Det er vist at vindhastighet og retning kan variere stort fra verdier målt ute på Sola, men noen likheter er det også for enkelte retninger. Den kritiske vindhastigheten for brua med hensyn på virvelindusert vind, er for 1. vertikale symmetriske svingform 7,189 m/s. Dette er en vindhastighet som ofte virker rundt brua og viser derfor at Lysefjordbrua innfrir kravet om tilstrekkelig kapasitet for kritisk vindhastighet ved virvelavløsninger. Det er også sett på resultater fra tidligere egenverdianalyse gjort i Alvsat, for så å sammenligne disse med egenfrekvenser og svingeformer beregnet etter forenklinger av Bleich og Steinman som en kontroll av verdiene.

Oppgaven konkluderes med: • At det ved økende kraftpåføring på hovedkomponentene i brua vil oppstå en ikke-lineær forskyvning, altså øker den effektive stivheten samtidig som forskyvningen avtar. • Håndberegninger viser for vertikale svingeformer at brubjelken er stivere ved opplagrene enn de svingeformene beregnet etter resultater fra programmet Alvsat. • Torsjonsstivheten i brua gir betydelig bidrag til egenfrekvenser og svingeformer. • Middelvindverdier for hastigheter og retninger skiller seg fra de målt ved Sola, men noen likheter eksisterer for bestemte vindretninger. • Analyser av vinddata viser stor samvariasjon mellom variabler langs brua, men som avtar med brulengden. For horisontal og vertikal vind ved hver enkelt vindsensor er tilnærmelsen relativ liten. Fordelingen av energi i vinden følger såkalt 5/3 lov hvor bruas egenfrekvenser og svingeformer ligger i spekterets frekvensområde hvor energi overføres fra lave frekvenser til høyere frekvensplan, de viser også at bevegelsene til brua ikke har noen innvirkning på denne energifordelingen. Energitettheten er gitt til å være størst for høyere frekvenser, men stor energi forekommer ved de lavere frekvensplan. • Simuleringseksempel bekrefter at forholdet til hvit støy hvor responsspekter er dividert på lastspekter er lik den mekaniske frekvensrespons overføringsfunksjonen.