Ny forskning kan gøre broer mere klimavenlige

03.06.2020

Et netop afsluttet forskningsprojekt viser, at der er et stort potentiale for at reducere materialeforbruget til brodækket på en hængebro med mere end en fjerdedel. Det giver en CO₂-besparelse på op til 30%.

Designet af de nuværende brodæk på hængebroer, som vi i Danmark bedst kender fra Storebæltsforbindelsen, har ikke ændret sig grundlæggende gennem de sidste 60 år. Det har derimod ønsket om at bygge broerne stadig længere, helt op til 5 km spænd. DTU og COWI har sammen forsket i, hvordan man kan optimere konstruktionerne, så det kan blive muligt. Resultaterne af dette forskningsprojekt er netop publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Communications og peger på store potentialer.

”Vi undersøgte, hvordan materialerne til en hængebro, der primært består af stål og beton, kan udnyttes bedre, så vægten af brodækket mindskes, og spændet af broen dermed kan øges. Det gjorde vi ved som noget nyt at anvende topologioptimering,” siger Mads Jacob Baandrup, der har gennemført analyserne i forbindelse med sit ph.d.-projekt på DTU og i dag arbejder som ingeniør i COWI’s broafdeling.

Nyt krumt design gør forskellen

Topologioptimering er en metode til ændring af designet i en konstruktion for at opnå besparelser af materialet. Metoden kendes fra bl.a. bil- og flyindustrien, men har ikke tidligere har været anvendt til store bygningskonstruktioner.

”Populært sagt handler det om at ’tømme’ en brodrager for dets eksisterende elementer, så der er fuldstændig frihed til et nyt design. Brodragerens indre inddeles herefter i en struktur af meget små 3D pixels, man kan forestille sig som små terninger. Topologioptimeringsmetoden bruges så til at bestemme, om hver enkelt terning skal bestå af luft eller stålmateriale. Resultatet er et design af brodrageren, der anvender mindst muligt stålmateriale uden at forringe styrken i konstruktionen,” siger lektor Niels Aage, DTU Mekanik, der er en af verdens førende forskere i storskalaoptimering og overordnet ansvarlig for projektets analyser.

Helt konkret blev et broelement på 30 x 5 x 75 meter analyseret, som var inddelt i 2 milliarder 3D pixels på bare et par centimeter hver, som resulterede i en omfattende beregning på en supercomputer. En beregning, som en almindelig computer ville have været 155 år om at udføre. Det er den største strukturelle optimering, der er gennemført til dato.

Foto

Den tyrkiske Osman Gazi hængebro ses i baggrunden, og topologioptimeringsresultatet øverst til højre. Det organisk udseende og yderst komplekse resultat af optimeringen er efterfølgende fortolket, hvilket har ført til et nyt mere simpelt design (markeret med rødt). Sammenlignet med det konventionelle design (markeret med blåt) resulterer det nye design i vægtbesparelser på over 28% for brodrageren. De hvide piler indikerer designprocessens forløb.

En CO2-besparende og økonomisk interessant løsning

Computerberegningerne gav forslag til, hvordan designet af brodækket bedst kunne udformes. Det indebar blandt andet at krumme en del af de nuværende rette tværskot, hvilket gør det muligt at spare 28 % af de materialer, der anvendes til brodækkene. Dermed reduceres CO2-udledningen tilsvarende fra produktion og transport af beton og stål.

”Vi har tilpasset beregningerne, så konstruktionen af brodrageren har det mest optimale design og samtidig kan produceres uden at kræve omkostningstunge fremstillingsmetoder. Det økonomiske aspekt er vigtigt for at gøre det realistisk at anvende designet ved fremtidige brobyggerier,” siger Mads Jacob Baandrup.

Værdifuld viden til fremtidens hængebroer

Selvom det naturligvis er nødvendigt med yderligere analyser, før der bygges broer med det nye design, er COWI ikke i tvivl om, at resultaterne af forskningsprojektet tilføjer værdifuld viden til fremtidens hængebroer.

”Det nye design af brodragere kan omsættes til en vægt og CO₂-reduktion på op til 20% for hele broen, hvilket naturligvis er en gevinst for klimaet. Samtidig er COWI involveret i en lang række af verdens største broprojekter, og derfor vil et potentielt nyt design både komme vores kunder og samfundet til gavn fremover,” siger teknisk direktør Henrik Polk, COWI, der har deltaget i forskningsarbejdet.

Også på DTU er der stor tilfredshed med resultatet.

”Vi ser store perspektiver i fremover at anvende topologioptimering til at sikre et bæredygtigt design af andre store bygningskonstruktioner som eksempelvis højhuse, stadioner eller motorvejsbroer. Det vil vi forske mere i, og da byggebranchen står for 39 % af verdens samlede CO2-udledning, kan næsten enhver reduktion være interessant,” siger professor Ole Sigmund, DTU Mekanik.