Videreutvikler de matematiske beregningsmetodene for bølge- og strømrespons på flytende broer
Rundt omkring i verden finnes flere ulike varianter flytebruer. For å kunne bygge lengre flytebruer enn før er ikke de eksisterende matematiske beregningsmodellene ingeniørene benytter tilstrekkelige. De må videreutvikles.
Thomas Viuff har nylig oppnådd doktorgrad ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) hvor han har tatt for seg eksisterende beregningsmodeller for å avdekke hvilke svakheter som må avdekkes og videreutvikles før de kan brukes for å planlegge lange flytebruer.
Teknologiutvikling – Norge er i front
På E39 Stord-Os planlegger Statens vegvesen å bygge flytebru over Bjørnafjorden. Flytebrua blir over fem kilometer lang, og skal krysse den 550 meter dype Bjørnafjorden mellom Tysnes i sør og Os i nord.
De siste 70 årene har ulike varianter flytebrukonsepter vist seg å være velegnet for å krysse brede og dype fjorder hvor konvensjonelle brutyper ikke egner seg. Spesielt Norge og USA har bidratt til å videreutvikle flytebruteknologi, og noen av de mest imponerende flytende pontongbrukonstruksjonene er Hood Canal Bridge i USA og Bergsøysund- og Nordhordland- bruene i Norge.
- Konstruksjonen av brua over Bjørnafjorden vil sprenge mange teknologigrenser og være med til å øke forståelsen av hvordan flytebruer oppfører seg når de utsettes for ulike laster, så som vind, bølger, strøm og dønninger. I tillegg vil måten brua beveger seg på føre til endringer i hvordan bølgene beveger seg, forklarer Viuff.
- Usikkerhet i estimering av belastninger fra miljøet og funksjonene av eksisterende numeriske verktøy er noen av utfordringene som vurderes for de nye brukonstruksjonene og stiller spørsmål ved grunnleggende kunnskap i konstruksjonsdesign av flytebruer, dette har vært utgangspunktet for mitt forskningsprosjekt, sier han.
Resultater av Viuff sitt forskningsprosjekt
Viuff forteller at han i sitt arbeid har konsentrert seg om såkalt «usikkerhetsvurdering» av den bølgende og strøminduserte globale responsen av buede flytende pontongbroer. Det vil si hvordan en buet, flytebru vil reagere på bølger og strøm. Det kalles «usikkerhetsvurdering», fordi man ikke kan fastslå helt nøyaktig hvordan den vil oppføre seg, man kan bare anslå omtrentlig.
Han har brukt to ofte brukte dataprogrammer, Sima og OrcaFlex, og sammenlignet dem med egne beregninger til å undersøke effekten av usikkerheter i hvordan bølger oppfører seg. Videre har han verifisert Sima mot tidligere eksperimenter av et generisk flytende pontongbru-konsept utført i 1989 av Marintek (nå SINTEF Ocean).
Viuff forteller (– med ingeniørspråk) hvilke resultater han har nådd:
- Funnene mine antyder at for en bro med den dominerende bølgeretning rett inn fra siden, er ekstremresponsen bare i liten grad påvirket av endringer i den dominerende bølgeretningen innen +/- 15 grader. Ekstremresponsen er dessuten kun i noen grad påvirket av naturlig forekomne endringer i de enkelte bølgers retninger i forhold til den dominerende bølgeretningen. Videre er svarene som er beregnet med de to dataprogrammene, Sima og OrcaFlex, innenfor 5-15 % av hverandre når de brukes på Bjørnafjord fase 2 flytende pontongbro-konsept Vegvesenet jobber med.
Til slutt ble Sima verifisert mot tidligere eksperimenter fra 1989 utført av daværende Marintek for et generisk flytende pontongbru-konsept, med en sammenligning nær den iboende eksperimentelle usikkerheten på 5-10%. Dette er verdifull kunnskap for eventuelle fremtidige eksperimenter med de valgte flytende brokonseptene, siden broens ekstreme lengder krever bruken av hybridforsøk, som benytter numeriske verktøy i de eksperimentelle målingene.
Verifiseringen av Sima mot eksperimentene fra daværende Marintek er basert på et generisk flytende pontongbro-konsept med en lengde på omtrent 830 moh. Med lengder på opp til 5 000 m for dagens flytende brokonsepter valgt av Statens vegvesen er bekreftelsen tvilsom for lignende strukturer med lengder mer enn fem ganger lengden fra den tidligere testede modellen. Det blir enda mer utfordrende når dette kombineres med en kabelbro på høybrodelen.
Fremtidige eksperimenter er påkrevd for å verifisere Sima og lignende numeriske verktøy for lengre brokonsepter, men dette er ikke gjennomførbart på grunn av brukonseptenes omfattende lengder, skaleringskravene og størrelsen på eksisterende havbassenger. I stedet må hybrid-tester utføres. Endelig gjennomført verifisering er basert på eksperimentelle resultater så som responsamplitudeoperatører, standardavvik, responsspektre og så videre. En fremtidig bekreftelse vil bli forbedret ved å sammenligne med faktiske tidsserier fra eksperimentene.
Her kan du se Thomas Viuff presentere sitt forskningsprosjekt
Gull fra arkivet
Store mengder eksperimentelle data og rapporter om modelltestene fra 1989 ble gravet ut fra arkivet til Vegdirektoratet og har blitt gjennomgått sammen med ingeniører i fjordkryssingsprosjektet de siste årene. De dataene kunne Thomas Viuff benytte i sitt prosjekt.
- For meg er dette som gull for den nye studien, sier Viuff.
Solid grunnlag for fremtidig arbeid
Thomas Viuff sitt arbeid har lagt et solid grunnlag for vårt videre arbeid med design og planlegging av nye modelltester over Bjørnafjorden, i tillegg er arbeidet hans en viktig referanse for å kvantifisere det strukturelle pålitelighetsnivået for hele designet for flytebrua, sier Mathias Egeland Eidem, fra Statens vegvesen.
Thomas Hansen Viuff har til forsvar for graden ph.d. ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Institutt for marin teknikk, innlevert avhandling med tittel:
