Analysis and optimization of a floating bridge with emphasis on structural behaviour and aerodynamic effects

I Statens Vegvesens prosjekt Fergefri E39 ble et flytebrukonsept nylig vurdert som det beste konseptet for å krysse Bjørnafjorden. Flytebrukonseptet består av en 5km lang stålkasse som ligger på flere flytende pongtonger og er dermed utsatt for permanente laster, naturlaster (herunder vind, bølger og strøm) og trafikk laster. Dette er et stort teknisk steg fra de eksisterende lignende flytebruer som er ca. 0.9 og 1.25 km lange. Det finnes begrenset forskning på slike konstruksjoner og usikkerheten reflekteres i prisen. Å øke kunnskapen om konstruksjonsoppførselen under disse kombinerte lastene, gjør det mulig å redusere konservatismen som igjen vil kunne redusere kostnadene gjennom optimalisering av bruutformingen og brukomponentene. Samtidig blomster forskning innen kunstig intelligens (KI) og KI-basert ingeniørdesign og det finnes et stort potensial for å komplementere dagens beregningsmetoder med moderne maskinlæringsmetoder. Dette vil gjøre det enklere og hurtigere å finne en optimal bruutforming, noe som også vil være med å redusere kostnadene for slike konstruksjoner. Prosjektet tar sikte på å utvikle et integrert beregningssystem for å analysere og optimere flytebruer, med hovedvekt på vindpåkjenninger på konstruksjonen i skjevvind og relatert beregningsmetodikk. Dette skal brukes til uavhengige analyser i Statens vegvesen, som skal gi grunnlag for sammenligning med og vurdering av resultatene som utarbeides av eksterne konsulenter. Gjennom publisering vil også metodikken tilgjengeliggjøres til andre. Prosjektet har direkte overføringsverdi til andre fjordkryssinger som er planlagt innen 2050.

Fremtiden av Vestlandets veg og ferje forbindelser er avhengig av suksessen av de første av disse store flytebru prosjektene. Total stål kostnaden knytes til slutt til bompenger og en liten reduksjon i pris kan gjøre kjørealternativet lønnsommere fremfor å ta i dags ferjene eller fly. Offentlige meningen om en Ferjefri E39 knytes til en viss grad til bompengene og omfattet risikoen, og dermed står resten av fjordkryssingene på spill. Den utførte forskningen i dette prosjektet utviklet en mer nøyaktig vindlastmodell med hensyn til skjeve vindforhold som er spesielt viktig for den buede flytebroen for fergeoverfartsprosjektene i norge. En mer nøyaktig vindlastmodell skal levere et mer robust design med mindre usikkerheter for disse megainfrastrukturene, og potensielt vil en reduksjon i mengden stål i broen også føre til en reduksjon i prosjektets økologiske fotavtrykk.

Prosjektet kan oppsummeres i følgende milepæler: 1. Gjennomgang av aerodynamiske laster på brubjelker, pga. vindkast (turbulens), virvelavløsning og den gjensidige påvirkningen mellom vind og konstruksjon (aeroelastiske krefter). 2. Global numerisk modellering og analyse av flytebrua med både aero og hydrodynamiske laster: frekvensplan analyser, tidsplan analyser, ekstremverdi estimater av styrende design parameterne, og følsomhetsstudier for bruoppførselen under forskjellige vindfelt egenskaper. 3. Lokal Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering av luftstrømmen rundt brubjelken. 4. Kobling av globale og lokale modeller i et integrert system. 5. Litteraturstudium og uttesting av eksisterende maskinlærings metoder på måledata av vind (og bølger) og tilhørende bruvibrasjoner, for å effektivt modellere koblingen mellom disse. 6. Utvikling av en optimaliseringsalgoritme for å analysere og videre optimalisere formen til brukassa for Bjørnafjorden. Metoden skal kunne brukes også med andre input data, dvs. for andre fjordkryssinger og andre bru typer. Prosjektet vil blant annet føre til at man lettere oppdager beregningsfeil, unøyaktigheter og ineffektiviteter, noe som vil bidra til å redusere kostnader og usikkerheter som slike banebrytende konstruksjoner naturligvis innebærer.