HVORDAN VI KAN HÅNDTERE AERODYNAMISKE KREFTER NÅR VI KONSTRUERER VERDENS LENGSTE HENGEBRUER

Bruer Innsikt

13.05.2019 / Allan Larsen

Behovet for lengre, holdbare, stabile og økonomisk effektive hengebruer stiller høye krav til undersøkelser av den aerodynamiske stabiliteten til brukonstruksjoner. Ajourførte byggeforskrifter, vindtunneler og avansert sensorteknologi er blant de nødvendige hjelpemidlene vi har til rådighet.

For hundre år siden var tyngdekraften den primære naturkraften som den tidens bruingeniører tok med i beregningen. Behovet for lengre, men likevel holdbare og kostnadseffektive, bruer for å sikre tilstrekkelig infrastruktur rundt byer i vekst har imidlertid endret dette.

Naturligvis er solid kunnskap om konstruksjonsmekanikk og materiallære fremdeles sentralt innen brubygging. Hovedformålet med en bru er å holde lasten av veger og jernbaner oppe mot tyngdekraften, og det er disse fagene som gjør det mulig.

Men etter hvert som vi har fått behov for enda lengre hengebruer, har en annen naturkraft blitt like viktig – vinden.

INNOVASJON ER IKKE GRATIS

Hengebruer er et uttrykk for hvordan brukonstruksjoner har utviklet seg med vår forståelse av konstruksjonsteknikk og vår evne til kontinuerlig å forbedre byggematerialer og skape mer effektive former og dermed bygge enda lengre bruer.

En enkel hengebru består av forholdsvis få elementer: et dekke med vegen eller jernbanen som henges opp i vertikale hengebrukabler som holdes oppe av slakke hovedkabler. Ofte omfatter en hengebru to tårn for å holde hovedkablene i en tilstrekkelig høyde til at de kan sikre nødvendig lastevne.

Hengebruas enkelhet er det som gjør brua så økonomisk effektiv med et slank og elegant utseende som om vegbanen flyter over vannet.

Men all innovasjon har sin pris. For en hengebru er den kabelbaserte konstruksjonen svært fleksibel, noe som gjør den utsatt for vind.

Hvis vi ikke tar hensyn til vindeffekter når vi konstruerer og bygger hengebruer, kan konsekvensene faktisk bli dødelige.

SAMMENRAST BRU GA NY INNSIKT I AERODYNAMISKE KREFTER

Vindytelsen til en planlagt bru undersøkes gjennom omhyggelige aerodynamiske studier. Aerodynamiske tester utføres i store vindtunneler ved hjelp av skalamodeller, som reproduserer prototypebruas geometriske form, stivhet og masseegenskaper. Ofte suppleres vindtunneltestene av datasimuleringer slik at optimal geometrisk form på dekket kan identifiseres.

Det overordnede målet med vindtunneltesten er å kunne vurdere om aerodynamisk ustabilitet kan bli utløst av en vindstorm – et fenomen hvor periodiske aerodynamiske krefter skapt av vinden kan synkronisere med brukonstruksjonens naturlige frekvenser.

Fra starten av bygger det seg opp aerodynamisk ustabilitetsenergi i konstruksjonen, noe som fører til store svingebevegelser i bruplaten.

Vindtunneltesting for å undersøke de generelle vindeffektene ble først tatt i bruk innen brubygging etter at den uhellsvangre Tacoma Narrows Bridge raste sammen i 1940.

Vridningsbevegelser med stor amplitude frembrakt av vind fikk brua til å rase sammen på mindre enn en time

SE VIDEO AV BRUA SOM RASTE SAMMEN OG FØRTE TIL BRUK AV VINDTUNNELTESTING

Teknikker for vindtunnelmåling har utviklet seg enormt i årenes løp. I førstningen kunne vi bare måle forflytningene av modellen som skyldtes vinden. På papir noterte man hvordan brua ville bevege seg og bli ustabil i vinden.

Kurveskrivere var viktige hjelpemidler for å dokumentere hvorvidt det ville oppstå aerodynamisk ustabilitet og ved hvilken vindhastighet. Men de tradisjonelle måleteknikkene gir ikke innsikt i det vi virkelig ønsker kunnskap om – hvordan de aerodynamiske lastene fordeles og samvirker med bevegelsene i bruplaten.

Ved å studere sammenrasingen av Tacoma Narrows Bridge nærmere har vi fått verdifull innsikt i vindens potensielt katastrofale konsekvenser. Det har igjen skapt behov for ny og mer avansert teknologi for vindtunneltesting.

SENSORTEKNOLOGI VIL FORBEDRE BESTEMMELSEN AV AERODYNAMISK STABILITET

Dagens solid state- og datateknologi har gitt oss bitte små trykksensorer. Dem kan vi bruke til å måle momentantrykk i sanntid. Dette gir oss et detaljert kart over hvordan vindkreftene svinger på modellbruplaten.

Basert på denne informasjonen kan vi nå endre konstruksjonene våre for å motvirke uønskede trykkart og begrense destabiliserende aerodynamiske krefter til et minimum.

Dette er en enorm fordel. Dette er også en ny teknologi som har utviklet seg de 20 siste årene, og som har banet veg for lengre og mer stabile hengebruer.

VERDENS LENGSTE HENGEBRU TESTET FOR Å MOTSTÅ FULLSKALA VINDHASTIGHET PÅ 90 M/S

Nylig vindtestet vi en full aeroelastisk modell av en planlagt rekordlang hengebru i en 22 m bred vindtunnel ved RCWE i Chengdu i Kina. Med et hovedspenn på 2023 meter vil det bli verdens lengste hengebru.

Det viktigste resultatet av testene er at brua vil tåle vind på over 90 m/s på grunn av bruplatens dobbeltbjelkekonstruksjon.

Så kan man spørre seg: Er det nok med vindhastigheter på opp til 90 m/s i et testmiljø for å påvise aerodynamisk stabilitet? Det er det så absolutt!

Den høyeste vindhastigheten som noensinne er registrert, er et 3-sekunders vindkast på 113 m/s ved Barrow Island i Australia i 1996 under den tropiske syklonen Olivia. Et 3-sekunders vindkast er altfor kort til å sette en stor hengebru i bevegelse. Den har svingningsperioder i størrelsesordenen 10–20 sekunder.

Et grovt, men konservativt estimat av den tilsvarende vedvarende (gjennomsnittlige) vindhastigheten ville være rundt 30 prosent lavere, dvs. 87 m/s. Det er derfor rimelig å hevde at det er eksperimentelt bevist at verdens lengste hengebru kan motstå enhver stormvind den kan bli utsatt for her i denne verden.

Som vindingeniør for denne fantastiske brua er jeg stolt over at vi oppnådde fullskala vindhastighet på 90 m/s uten å se tegn på aerodynamisk ustabilitet. Det må sies å være en triumf for byggingen av hengebruer.

Hengebrutårn bygges ofte av armert betong av økonomiske årsaker, men det 318 m høye tårnet til dette rekordlange spennet vil bli bygd av stål for å gi det tilstrekkelig jordskjelvmotstand. Stål fungerer bra til jordskjelvbestandige konstruksjoner, men aerodynamisk blir brutårnene svært lette og fleksible.

Uten dempingstiltak ville tårnbena bokstavelig talt begynne å svinge fra side til side i sterk vind og forårsake aerodynamisk ustabilitet – eller «kast». Det er enhver bruingeniørs verste mareritt.

BRURESPONS VED 90 M/S FULLSKALA VINDHASTIGHET

Små tilfeldige bevegelser i dekket merkes, men vridningsbevegelser med stor amplitude som ville tydet på aerodynamisk ustabilitet – som i tilfellet med Tacoma Narrows – observeres ikke.

For å veie opp for de fleksible og lette tårnene henter ingeniørene inspirasjon fra den 509 m høye Taipei 101-bygningen i Taiwan. Denne taiwanesiske skyskraperen er bygd i en vindfull og hyperaktiv jordskjelvsone. Den er utstyrt med en 660 tonn tung stålpendel, som fungerer som en finjustert massedemper for å redusere bevegelser fremkalt av vinden.

Enhver bevegelse i bygningen på grunn av tyfoner eller jordskjelv vil få den opphengte motvekten til å svinge og dermed trekke ut energi som ellers ville bygge seg opp og skape vibrasjoner med stor amplitude i bygningen.

Det samme prinsippet er på tegnebrettet for den nye brua. Med en opphengt 25 tonn tung motvekt inne i hvert tårnben kan ståltårnene stå imot sterke vinder uten at det oppstår vibrasjoner frembrakt av vinden.

TÅRNVIBRASJON VED 40 M/S FULLSKALA VINDHASTIGHET

Disse vibrasjonene kan dempes helt ved hjelp av finjusterte massedempere installert i de enkelte tårnbena.

RASKERE AERODYNAMISKE UNDERSØKELSER

Med dagens datateknologi kan vi med stor nøyaktighet beregne den aerodynamiske atferden til brukomponenter. Basert på slike beregninger vil vi velge én eller to konstruksjoner for kontroll med vindtunneltesting.

Fordelen er å øke konstruksjonsprosessens hastighet. I løpet av noen få dager kan vi lage en datamodell av brukonstruksjonen, og innen en uke vil vi ha dannet oss et bilde av den aerodynamiske ytelsen. I en vindtunnel kan hele prosessen med å undersøke hver konstruksjon fort ta 4–5 uker.

Kort fortalt bruker vi datateknologi til å gjennomføre aerodynamiske undersøkelser raskere. Denne tendensen vil utvikle seg videre i årene som kommer.

GLOBAL OPPVARMING FØRER TIL HØYERE VINDHASTIGHETER

Hvis vi ser fremover, vil global oppvarming føre til en jevn økning i gjennomsnittstemperaturen i verdenshavene. Dette vil på sin side føre til at det danner seg kraftigere tyfoner i Sør-Kina-havet og kraftigere orkaner i Karibia.

En prognose over denne tendensen gir en økning i den gjennomsnittlige vindhastigheten på tyfoner i det nordøstlige Stillehavet fra dagens nivåer på 55 m/s til ca. 63 m/s innen 2100 med ekstreme vindhastigheter helt opp til 68 m/s.

Den anslåtte økningen i gjennomsnittlige vindhastigheter tilsvarer 14 prosent de 85 neste årene. (Kilde: Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego.)

Naturligvis er det viktig å ta hensyn til disse prognosene ved testing av stabiliteten til brukonstruksjoner, som typisk er dimensjonert for å vare minst 100 år.

Prosessen med vindtunneltesting vil ikke endre seg på grunn av global oppvarming, men for å vurdere om konstruksjonen vår er tilstrekkelig, må vi kjenne den største vindhastigheten som brumodellen vår kan bli utsatt for.

Med andre ord er de skiftende vindforholdene nødt til å gjenspeiles i de nasjonale byggeforskriftene, som definerer premissene for vindtunneltestene og konstruksjonsdesignet.

Følgelig er det svært sannsynlig at vindtunneltestene vil vise at konstruksjoner med høyere geometrisk raffinement og kanskje mer konstruksjonsmateriale kreves for å sikre aerodynamisk stabilitet for bruer i en fremtid preget av klimaendringer.

MØT EKSPERTEN

Mitt fagfelt er vindteknologi. Det ser på interaksjonene mellom vindstrømmen i atmosfæren nær bakken og bygningskonstruksjonene vi som ingeniører skaper for å dekke dagliglivets behov. Fagfeltet omfatter alt fra vindklima og tilknyttet menneskelig komfort, vindbelastning på bygningskonstruksjoner og aeroelastisk stabilitet i skråkabelbruer med langt spenn.

Som ivrig seiler fra tidlig barndom lot jeg meg alltid fascinere av interaksjonen mellom båten, seilene og vinden.

Etter ingeniørutdanningen ble dette til et behov for å forstå fysikken bak interaksjoner mellom vind og konstruksjoner og hvordan disse interaksjonene kan utnyttes for å skape enda bedre strukturer for samfunnet.