Nøyaktig kunnskap om hvordan vind påvirker lange hengebruer gir nye muligheter

Hardangerbrua med sin lengde på 1380 meter og høyde på 201 meter er Norges lengste hengebru, i tillegg er den av verdens smaleste hengebruer. Hardangerbrua er posisjonert i et komplekst terreng over en fjord med omliggende høye fjell. Dette gjør vindfeltet komplisert- noe som vil stille krav til en mer omfattende beskrivelse av parameterne som beskriver vindfeltet.  Se oversikt over verdens lengste bruer 

Vind er en avgjørende faktor for hvor lange hengebruer det er mulig å bygge

Alle bruer påvirkes av vind, vind setter brua i bevegelse. Den enorme kraften i vind påfører dermed en ekstrem belastning på hengebruer. Den vanskeligste typen vind å beregne, er dynamiske svingninger fra turbulens. For å bygge hengebruer som tåler å bli utsatt for vind trenger vi nøyaktig kunnskap om hvilken effekt ulike typer vind har på konstruksjonene.

Tor Martin Lystad har i sitt forskningsprosjekt tatt utgangspunkt i resultatene fra et fullskala målesystem på Hardangerbrua, der man har sett betydelige avvik i målt oppførsel mot det som predikeres med dagens beregningsmetodikk. Lystad har dermed videreutviklet de matematiske beregningsmetodene vindforskere bruker i dag. Nettopp fordi Hardangerbrua er så lang og smal, vil kunnskapen og dataene han har hentet inn fra denne brua være interessante for vindforskere og ingeniører som planlegger fremtidige hengebruer. Den internasjonale «trenden» er å bygge stadig lengre hengebruer – men også lange flytebruer, begge brutypene er sårbare for vindpåvirkning og må dimensjoneres deretter.

 – Tor Martin Lystad har også bidratt med matematiske beregninger på den planlagte flytebrua over Bjørnafjorden, så vi har allerede hatt god nytte av kompetansen hans, sier Mathias Egeland Eidem fra Statens vegvesen.

Rett materialbruk gir mulighet for å bygge klimavennlige og trygge bruer

Sikkerhet er førsteprioritet; og for å være sikre på at en bru tåler å bli utsatt for vind, må man velge riktig materiale og riktig mengde. Mer nøyaktig kunnskap om nøyaktig hvor sterk vinden er kan påvirke materialforbruket- og dermed kostnadene og klimagassutslippene. Mer nøyaktig kunnskap gir altså muligheter for lengre brukonstruksjoner i fremtiden; men også mer klimavennlige bruer!  Et annet viktig poeng er at lange bruer er tunge; om man kan velge et lettere materiale er det mulig å bygge lengre konstruksjoner enn før.

 – Når bruer bygges stadig lengre innebærer det at den dynamiske påvirkningen fra vind og bølger dominerer med tanke på de strukturelle belastningseffektene. For å bygge bedre kunnskap om den dynamiske oppførselen til bruer med langt spenn utsatt for turbulent vind i komplekst terreng tok jeg utgangspunkt i fullskalamålinger utført på Hardangerbrua. Resultatene fra målingene som har blitt utført av NTNU viser stor spredning i den såkalte «buffeting-responsen» når den måles opp mot gjennomsnittlig vindhastighet. Dette er en indikasjon på at usikkerhet i andre parametere som beskriver det turbulente vindfeltet har større betydning enn vi tidligere har lagt til grunn, forklarer han. 

 – I mitt PhD-prosjekt har vi videreutviklet beregningsmetodikken slik at vi i større grad kan hensynta disse usikkerhetene, og dermed kan vi bedre ivareta sikkerheten til disse bruene. Denne kunnskapen kan brukes i designfasen av bruer der formålet er å oppnå ønsket sikkerhet med så lite forbruk av materiale som mulig. Når vi har en innebygget usikkerhet i beregningsmetodikken vår kan det resultere i at vi i enkelte tilfeller underdimensjonerer bruene, og i andre tilfeller overdimensjonerer bruene. Dersom vi underdimensjonerer oppnår vi ikke ønsket sikkerhet, dersom vi overdimensjonerer blir det dyrere og gir et større klimaavtrykk enn det som er nødvendig, forklarer Lystad. Han tilføyer at vindfeltinformasjonen som uansett innhentes når vi skal prosjektere slike bruer kan utnyttes i større grad med den metodikken som vi foreslår.

Lystad har undersøkt de tradisjonelle metodene for målinger av vindfelt ved å sammenligne data fra mastmålinger på Hardangerbrua og vindtunneltester i laboratoriet før byggingen av brua, med data fra vindmålinger plassert langs spennet til den nåværende brua.

Nye algoritmer kan tas i bruk av bruingeniører

Langtids-beregninger er anerkjent som den mest nøyaktige måten å forutsi den ekstreme responsen på en struktur som utsettes for stokastiske dynamiske belastninger. I dagens designpraksis for beregning av buffeting responsen av bruer med langt spenn har dette imidlertid ennå ikke blitt standardmetoden for å estimere de ekstreme responsene. I Lystads prosjekt blir langtids-ekstrem-buffetingsresponsen til Hardangerbrua undersøkt, med tanke på effekten av turbulensvariabilitet og usikkerhet i ekstremutslaget til en stokastisk responsprosess. Funnene viser at både turbulensvariabiliteten og responsusikkerheten er svært viktige for designresponsen til Hardangerbrua.

Lystad introduserer også en helt ny algoritme basert på «gaussisk prosessregresjon for langsiktige ekstreme responsberegninger», algoritmen viser sterke kvaliteter når det gjelder nøyaktighet og beregningseffektivitet. Denne algoritmen kan tas i bruk av bruingeniører i dag- og Lystad tar den med seg i arbeidet sitt som bruingeniør i Norconsult.

Tor Martin Lystad har oppnådd doktorgrad ved NTNU (Institutt for konstruksjonsteknikk) med avhandlingen Long-term extreme buffeting response investigations for longspan bridges considering uncertain turbulence parameters based on field measurements

Teknisk Ukeblads artikkel om Tor Martin Lystads prosjekt: Avdekket vindens ukjente hemmelighet – nå kan bruene bygges lengre og sterkere

Tor Martin Lystad vant Tom A. Wyatt Award 2020