Avdekket vindens ukjente hemmelighet – nå kan bruene bygges lengre og sterkere

Alle bruer er også store vindfang, når det blåser blir de satt i bevegelse. I verste fall kan vind over tid svekke konstruksjonen, om det ikke er lagt inn tilstrekkelig sikkerhetsmargin.

I dag vet ikke de prosjekterende ingeniørene nok om hvordan vindlastene påvirker konstruksjonene, det gir stor usikkerhet. Hovedsynderen er turbulens, som kan ta mange former og påvirke konstruksjonene forskjellig.

Problemstillingen gjelder spesielt for lange, slanke bruer. Av slike er det flest hengebruer, men også flytebruer faller inn under de brutypene som er utsatt.

Forskningsprogram om ferjefri E39

Sammenligningen er ikke tilfeldig. På oppdrag fra Statens vegvesen har NTNU et større forskningsprosjekt knyttet til ferjefri E39. Forskningen leder til en rekke doktorgrader. Den ferskeste er gitt til Tor Martin Lystad i Norconsult som disputerte 25. juni i år.

Hans arbeider har ført til nye matematiske modeller som reduserer usikkerheten. Før bruer med spenn over 300 meter prosjekteres krever Statens vegvesen vindmålinger. Det blir satt opp master med sensorer på hver side av fjorden brua skal krysse. Data fra disse brukes når materialkvaliteter og mengder skal beregnes.

– Disse målingene gir masse god informasjon, men i dag benytter vi ikke potensial som ligger i denne dataen, sier Lystad.

På Hardangerbrua er det satt opp sensorer som måler dynamisk bevegelse, akselerasjonsmålinger. Disse viser at det er mye større variasjon i hvordan brua responderer på vind enn det som ble forutsatt når brua ble prosjektert. Mens dagens verktøy for prosjektering ser på bruas bevegelse fra vindlaster som en linje viser den målte bevegelsen at det er en punktsky som dekker et større areal.

– Brua kan reagere forskjellig på samme vindstyrke og retning. Det er først og fremst turbulens, som kan ha forskjellige egenskaper, som ligger bak forskjellene. Dagens modeller er høyst sannsynlig overforenklet, sier Lystad.

Nye matematiske modeller

Lystad har brukt dataene fra Hardangerbrua, sammen med dataene fra forhåndsmålingene på hver side av fjorden til å utvikle nye matematiske modeller. Han sier at det ikke er nødvendig med ytterligere målinger for å redusere mye av usikkerheten som ligger i dagens måte å prosjektere hengebruer.

– Nei, vi har nok data til å gjøre mer presise beregninger.

Det vil føre til at på enkelte deler av en bru kan man klare seg med tynnere eller mindre materialer mens det andre steder brukes mer eller sterkere materialer.

Illustrasjonen som ligger i bildekarusellen øverst i artikkelen viser måledata fra midtspennet av Hardangerbrua. Y-aksen viser dynamiske bevegelser i form av akselerasjoner. X-aksen viser gjennomsnittlig vindhastighet for perioder på 10-minutter. Punktene er farget basert på hvor det er mye punkter. Den svarte heltrukne linjen er den beregnede dynamiske oppførselen med metodikken som ble brukt for å dimensjonere brua og som brukes i design av slike bruer i dag. Da bruker ingeniørene altså en linje for å beskrive det som egentlig er en punktsky. Med den metodikken Norconsult foreslår kan rådgiverne beregne en linje som omhyller den punktskyen, den røde linjen. Dette gir vesentlig bedre samsvar med observasjonene av den virkelige oppførselen til Hardangerbrua.

Vi undervurderer vind

Lystad sier at de nye metodene er gjort tilgjengelig for alle, blant annet gjennom artikler han har publisert. De er blitt lagt merke til, Lystad mottok før sommeren Tom A. Wyatt best paper award, en pris oppkalt etter den britiske professoren Tom Wyatt som stod for banebrytende utvikling av hengebruer og var en ekspert på vindrelaterte problemstillinger. Frem til sin død i 2018 var han engasjert som ekspertrådgiver for Ferjefri E39.

Forskningen til Lystad er gjort som en del av et større prosjekt knyttet til ferjefri E39. Professor Ole Andre Øiseth ved Institutt for konstruksjonsteknikk karakteriserer arbeidet Lystad har gjort som «veldig viktig».

– I dag undervurderer vi responsen på vind. Nå kan vi bruke data vi allerede har på en bedre måte, sier Øiseth.

Han bekrefter at forskningen og de modellene Lystad har utviklet kan brukes til å bygge hengebruer som er lengre enn i dag, men han vil ikke gi noen tall.

– Den største begrensningen er styrken til materialet i kablene. Om vi bygger stadig lengre bruer så vil, på et eller annet tidspunkt, kablene bli så tunge at de ikke lenger kan bære seg selv. Da må vi finne andre materialer, for eksempel karbonfiber. Da er det ikke lenger en teknisk utfordring men en økonomisk utfordring, sier Øiseth.

Vegvesenet viser interesse

Reglene for brukonstruksjoner, som alle rådgivende ingeniører må forholde seg til, finnes i håndbok N400 Bruprosjektering utgitt av Statens vegvesen. Ved årsskiftet kommer en ny revidert versjon som har vært på høring. Høringsfristen var rett før sommeren.

Norconsult har spilt inn et forslag om å ta de nye modellene inn, og stille krav om de blir brukt. Norconsult har også invitert Statens vegvesen til et møte om de nye beregningsmetodene.

Prosjektleder for revisjon av N400, senioringeniør Lisa Bakken Vikan sier hun er kjent med forskningen Lystad har gjort, og forslaget som er sendt inn.

– Vi har ennå ikke begynt å behandle forslagene vi har fått etter høringsfristen så jeg kan ikke si noe om hva som blir tatt inn. Men vi har ofte møter med bedrifter som sitter på ekspertise, det kan absolutt være aktuelt å ta et møte med Norconsult om dette, sier Vikan.

Også professor Øiseth støtter ideen. Han sier håndbøkene i større grad enn i dag bør ta inn mer avanserte beregningsmetoder.

Her kan du lese mere om byggingen av Hardangerbrua, i 2012.