HVORDAN HÅNDTERER VI AERODYNAMISKE KRÆFTER NÅR VI DESIGNER VERDENS LÆNGSTE HÆNGEBROER?

20.03.2019 / Allan Larsen

Behovet for længere, holdbare, stabile og omkostningseffektive hængebroer stiller høje krav til undersøgelser vedrørende aerodynamisk stabilitet i forbindelse med brodesign. Tidssvarende bygningsreglementer, vindtunneler og avanceret sensorteknologi er blandt de nødvendige værktøjer, der er tilgængelige.

For hundrede år siden var det hovedsageligt tyngdekraften, som datidens ingeniører skulle tage højde for, men kravet om længere og samtidig holdbare og omkostningseffektive broer, der skal bidrage til en bedre infrastruktur omkring de stadig større byer, har ændret dette.

En solid viden om konstruktionsmekanik og materialeteknologi er naturligvis fortsat blandt de vigtigste discipliner inden for brokonstruktion, fordi de spiller en vigtig rolle for det grundlæggende formål med en bro, nemlig at understøtte belastningen fra veje og jernbaner, så broen kan modstå tyngdekraften.

Med behovet for endnu længere hængebroer har en anden naturkraft imidlertid fået lige så stor betydning - vinden.

INNOVATION HAR EN BAGSIDE

Hængebroer er et vidnesbyrd om, hvordan brodesign har udviklet sig sideløbende med vores forståelse af bygningsingeniørarbejde og vores evne til konstant at forbedre byggematerialer og udvikle mere effektive former, så vi har kunnet bygge endnu længere broer.

En generisk hængebro består af relativt få elementer: et dæk, der skal bære vejen eller jernbanen, og som er ophængt i vertikale ophængningskabler, der igen er båret af hængende hovedkabler. De fleste hængebroer har to tårne, der holder hovedkablerne tilstrækkeligt højt oppe i forhold til den nødvendige belastningskapacitet.

Det er hængebroens enkle konstruktion, der gør den så omkostningseffektiv og giver broen det slanke, elegante udseende, hvor vejen svæver over vandet.

Innovation har imidlertid også en bagside. Hængebroens kabelbaserede design gør konstruktionen meget fleksibel og dermed sårbar over for vinden.

Følgerne kan således blive fatale, hvis der ikke tages højde for vindeffekter, når man designer og bygger hængebroer.

BROKOLLAPS GAV NY INDSIGT I AERODYNAMISKE KRÆFTER

Når man projekterer en bro, kortlægger man vindegenskaberne via grundige aerodynamiske undersøgelser. Der udføres aerodynamiske tests i store vindtunneler med skalamodeller, der har samme geometriske form, stivhed og masseegenskaber som broprototypen. Ofte supplerer man vindtunneltests med computersimuleringer for at finde frem til dækkets optimale geometriske form.

Det overordnede formål med vindtunneltests er at vurdere, hvorvidt stormvejr kan skabe aerodynamisk ustabilitet - et fænomen, hvor periodiske aerodynamiske kræfter skabt af vinden synkroniseres med brokonstruktionens naturlige frekvenser.

Først opbygges der energi i konstruktionen som følge af aerodynamisk ustabilitet, hvilket så fører til store svingninger og vridende bevægelser i brodækket.

Vindtunneltests har være anvendt inden for brokonstruktion for at undersøge vindeffekter siden 1940, hvor broen Tacoma Narrows Bridge kollapsede.

Kraftig vind skabte vred og svingninger i brodækket, hvilket fik broens hovedspænd til at kollapse på under en time.

Målemetoderne i forbindelse med vindtunneltests har udviklet sig voldsomt igennem årene. I starten kunne man kun måle modellens bevægelser i vinden, som så blev noteret på et stykke papir, så man kunne dokumentere, hvordan broen ville bevæge sig og blive ustabil, hvis det blæste.

Kurveskrivere var vigtige værktøjer til at dokumentere, hvorvidt der ville opstå aerodynamisk ustabilitet og ved hvilken vindhastighed. Men de traditionelle måleteknikker giver ikke indblik i det, vi egentlig gerne vil vide: nemlig fordelingen af den aerodynamiske belastning og samspillet med brodækkets bevægelser.

Ved at undersøge Tacoma-broens kollaps nærmere har vi fået et værdifuldt indblik i vindens potentielt ødelæggende effekt, hvilket igen har skabt et behov for ny og mere avanceret teknologi til vindtunneltests.

SENSORTEKNOLOGI GIVER BEDRE MULIGHED FOR AT FASTSLÅ AERODYNAMISK STABILITET

Med nutidens solid state-elektronik og computerteknologi kan man fremstille meget små tryksensorer, der kan bruges til at måle hurtige trykvariationer i realtid. Det giver et detaljeret kort over, hvordan vindstyrkerne varierer på modelbroens dæk.

På baggrund af disse oplysninger kan vi ændre vores design, så det modvirker uønskede trykkort og dermed minimerer destabiliserende aerodynamiske kræfter.

Dette er en kæmpe fordel og en ny teknolog, som er blevet udviklet i løbet af de sidste 20 år og dermed har banet vejen for længere og mere stabile hængebroer.

VERDENS LÆNGSTE HÆNGEBRO KAN KLARE VINDHASTIGHEDER PÅ OP TIL 90 M/S

For nylig vindtestede vi en komplet aeroelastisk model af en hængebro, der er projekteret til at slå verdensrekorden for hængebroer, i en 22 m bred vindtunnel hos RCWE i Chengdu, Kina. Med et spænd på 2.023 meter vil den være en af verdens længste hængebroer.

Det vigtigste resultat af disse tests er, at broen vil kunne modstå vindhastigheder på over 90 m/s takket være brodækkets design med dobbeltdrager.

Er det så nok med vindhastigheder på op til 90 m/s i et testmiljø for at påvise aerodynamisk stabilitet? Ja, det er det!

Den højeste vindhastighed, der nogensinde er registreret, er et 3-sekunders vindstød på 113 m/s ved Barrow Island, Australien, under den tropiske cyklon Olivia i 1996. Et vindstød, der varer 3 sekunder, er alt for kort tid til at sætte en stor hængebro i bevægelse, da den har svingningsintervaller i omegnen af 10-20 sekunder.

Et groft men konservativt estimat af den tilsvarende vedvarende (gennemsnitlige) vindhastighed ville være omkring 30 % mindre svarende til 87 m/s. Det er således rimeligt at hævde, at verdens længste hængebro i testmæssig sammenhæng er påvist at kunne klare alle de storme, som den måtte blive udsat for.

Som vindingeniør på denne fantastiske bro er jeg stolt af, at vi har opnået en fuldskala vindhastighed på 90 m/s uden at se tegn på aerodynamisk ustabilitet – det er en stor præstation inden for brokonstruktion.

Tårnene på hængebroer er ofte bygget i armeret beton af økonomiske årsager, men de 318 meter høje tårne, der skal holde dette rekordlange spænd, vil være lavet af stål for at sikre, at de er tilstrækkeligt modstandsdygtige mod jordskælv. Stål fungerer rigtig godt i konstruktioner, der skal kunne modstå jordskælv, men ud fra et aerodynamisk perspektiv bliver brotårnene meget lette og fleksible.

Uden forebyggende tiltag vil tårnenes ben bogstaveligt talt begynde at svinge fra side til side, når det blæser kraftigt, hvilket vil forårsage en ”hoppende” aerodynamisk ustabilitet. Det er enhver broingeniørs værste mareridt.

For at kompensere for de fleksible og lette tårne lod ingeniørerne sig inspirere af den 509 meter høje Taipei 101-bygning i Taiwan. Denne taiwanesiske skyskraber er bygget i en blæsende og hyperaktiv jordskælvszone. Inden i bygningen er der et stålpendul, der vejer 660 tons og fungerer som en finjusteret massedæmper, der mindsker bevægelser fremkaldt af vinden.

Hvis en tyfon eller et jordskælv sætter bygningen i bevægelse, begynder den hængende modvægt at svinge, Svingningerne absorberer således den energi, der ellers ville medføre store vibrationer i bygningen.

Samme princip er nu på tegnebordet til den nye bro. Ved at tilføje en modvægt på 25 tons inden i hvert tårnben kan ståltårnene modstå kraftige vindhastigheder, uden at der opstår vibrationer.