Vindindusert respons av flerspenns hengebro med flytende tårn

Abstract

I forbindelse med prosjekter «Ferjefri E39» skal flere utfordrende fjorder krysses. Denne oppgaven tar for seg kryssing av den 4km brede og 450 meter dype Sulafjorden. Flere konsepter utredes av Statens Vegvesen. I oppgaven studeres et konsept med en fem-spenns hengebro hvor to av fire tårn flyter i fjorden. Valg av flytende fundamenter har mye å si for broens respons. Det studeres derfor to ulike konsepter for fundamenter. Et ellipseformet fundament, og en strekkstagsplattform (TLP). Målet er å finne ut hvilket konsept som gir gunstigst dynamisk respons fra vind og bølger. Vind studeres i detalj, mens det gjøres en forenklet bølgeanalyse. Ved studie av broens respons på vind ses det også på hvordan ulike vindspektre og koherens påvirker broen. Vindserier genereres ved hjelp av Matlab. Broen modelleres og de ulike last-scenarioene analyseres i elementprogrammet ABAQUS. Konseptet med ellipseformet fundament oppnår middelforskyvninger sideveis fra vind på rundt 6 meter og maksforskyvninger på rundt 10 meter. Tilsvarende forskyvninger for TLP er 21 meter og i overkant av 30 meter. I bølgeanalysen kommer TLP betydelig bedre ut med sideveis forskyvning i overkant av 4 meter mot ellipsens 34 meter. Ellipsen har flest aktive svingeformer i vindanalysen og får derfor mer uryddig respons. Det konkluderes med at en forbedret versjon av TLP med ekstra forankringer sideveis vil være det beste alternativet. Broens lave egenfrekvenser er problematisk for de vanlige vindspektrene som ikke er tilpasset det aktuelle frekvensområdet. Det er et relativt stort sprik mellom Von Kármán og Kaimal-spektrene ved disse frekvensene, noe som fører til omtrent 15% mindre respons ved bruk av Kaimal-spekter. En svakhet i oppgaven er at Kaimal-simuleringen ble noe unøyaktig, og differansen i respons skulle sannsynligvis vært noe mindre. Koherens har spesielt betydning for ellipsen der differansen i respons mellom høyest og lavest koherens er omtrent 50%. Samme tall for TLP er rundt 14%. Den store prosentvise forskjellen kommer av at det er større forskyvninger i TLP. Den faktiske differansen i forskyvning er omtrent lik. Det kan tyde på at koherens først og fremst har betydning for brokassens svingeformer, og muligens flytetårnenes rotasjon om X-aksen. Ved prosjekter av denne størrelsen anbefales det å studere vindfelt og koherens i felt da de lave egenfrekvensene skaper nye problemstillinger i forhold til vanlig praksis ved brobygging.