OTICS – Fjordkryssinger

Miljømessige forhold i fjordkryssingsdesign

UiS har gjort banebrytende arbeid innen bruk av fjernmåling av vind til fjordkryssingsdesign, i samarbeid med Norsk senter for offshore vindenergi (NORCOWE) og Danmarks tekniske universitet (DTU). To banebrytende målekampanjer med lidar på ei eksisterende bru i Lysefjorden ble først gjennomført, etterfulgt av den eksterne vindkartleggingen i Bjørnafjord, der en flytebro vurderes bygd. Dette har banet vei for andre prosjekter for måling med lidar der UiS sin ekspertise brukes til å utvikle og analysere vindmålinger over havoverflaten.

Fjernstyrt vindmåling med langdistanselidar gjør det mulig å overvåke strømningsforholdene langs et planlagt bruspenn, uten strømningsforstyrrelser i omkringliggende terreng. Kortsiktige lidarer gir også en unik mulighet for feltstudier av strømning rundt en eksisterende bru og tilhørende vindbelastning. Begge aspektene vil bli nærmere utforsket i doktorgradsprosjektet til Mohammad Nafisifard, som er en del av EU-prosjektet Lidar Knowledge Europe (LIKE), arrangert av DTU Wind Energy (2019-2023). Professor Jasna Bogunovic Jakobsen er hovedveileder og professor Jonas Thor Snæbjörnsson er medveileder ved UiS.

UiS har også utført en statistisk analyse av bølgemålingene i Sulafjorden, med vekt på bølgeutbredelsen fra offshore til fjord. Videre arbeid med miljøforholdene vil vurdere ulike kilder til usikkerhet i lidarmålinger, sannsynlighet for vind- og bølgeforhold og lignende.

Validering og forbedring av vindlastmodeller

Et av de uløste problemene i modellering av buffering av lastene på brubjelkene er forholdet mellom de romtemporale egenskapene til den innkommende turbulensen og de tilhørende egenskapene til de svingende kreftene (drag, løft og veltemoment) langs brudekket.

Vindtunnelstudier antyder at innflytelsen fra småskala turbulens dempes over brudekkets bredde (for eksempel fra 10 til 30 meter), men at brubjelker på mer enn flere hundre meter lange bruer, kan føre til høyere korrelasjon av kreftene sammenlignet med korrelasjonen i innkommende vind. Gyldigheten av disse funnene hemmes av den uforholdsmessige høyfrekvente turbulensen på grunn av skaleringsbegrensninger i vindtunneler.

UiS utfører for tiden målinger fra en eksisterende bru for å tilegne seg et unikt sett med fullskala-observasjoner av samspillet med vindkast og brudekkbjelker. Målesystemet kombinerer en serie trykkraner på brudekkoverflaten, flere lavfrekvente trykkprober rundt brudekket og vindmåler på brudekknivået. Systemet vil bli integrert med de pågående langsiktige observasjonene av vindforhold og den vindinduserte responsen som ble lansert ved Lysefjord bru i november 2013. Systemutviklingen og dataene er sentrale i doktorgradsprosjektet til Nicolo Daniotti.

Sykliske belastninger på grunn av vindkast og trafikk på lange spennbruer skaper kontinuerlig varierende og gjentatte spenninger i strukturen som over tid fører til en svekkelse av de strukturelle delene, den såkalte utmattelsen. Tretthet knyttet til slik tilfeldig belastning av stålbruer, samt studier av brudesign med aluminium er omtalt i PhD-prosjektet til Bruno Villoria, støttet av Statens vegvesen og Norges forskningsråd. Hovedveileder for doktorgraden er professor Sudath C. Siriwardane med professor Jasna Bogunovic Jakobsen som medveileder ved UiS.

Tidsdomene-analyse av vind, bølger og havstrøm

Last- og responsanalyse av broer på flytende støtter krever integrert modellering av vind-, bølge- og strømbelastning.

UiS sin egen programvare utviklet for dette formålet, Abaqus, kombinerer tidsdomenesimuleringer av turbulent vindfelt og assosierer vindbelastning med simuleringer av hydrodynamiske belastninger på et flytende brofundament (spenningsbenplattform). Verktøyet, som lar en studere den relative betydningen av de ulike miljøfaktorene for designet, kan videreutvikles og tilpasses andre brodesign.

I tilknytning til dette jobber vi med en forbedret modellering av vindbelastningen på en bro med variabel orientering til hovedstrømretningen, for eksempel en flytende bro med en buet akse i et horisontalt plan, som i PhD-prosjektet til Bernardo Morais Da Costa. Professor Jasna Bogunovic Jakobsen er hovedveileder, og prosjektet er støttet av Statens vegvesen og Norges forskningsråd. Medveiledere er professor Jonas Thor Snæbjörnsson og førsteamanuensis Jungao Wang ved UiS.

Brukabelvibrasjoner

Kabler er blant de viktigste strukturelle elementene i langspente broer, som overfører service- og miljøbelastninger til støtter og fundament. Selv om kablene er avgjørende for sikker bruk av en bro, er de ekstremt følsomme for ulike kilder til dynamisk eksitasjon og utsatt for utmattelse og andre typer skader.

For å kunne iverksette tiltak for å minske de forskjellige typene kabelvibrasjoner (regn- og vindvibrasjoner av stagkabler, parametrisk eksitasjon, vortexinduserte vibrasjoner, is/vind-vibrasjoner og lignende) er det viktig å forbedre mekanismer for vibrasjonseksitering. UiS deltar i internasjonal forskning på aerodynamiske mottiltak for å begrense galopperende kabelvibrasjoner. En ny kabeloverflate er blitt foreslått og planlegges ytterligere optimalisert.

Et relatert arbeid gjelder overvåking av sporadiske stagkabelvibrasjoner ved Bybrua i Stavanger, i et prosjekt støttet av Statens vegvesen. Analysen av vortexinduserte kabelvibrasjoner (av ubetydelig størrelse) og regn-/vindinduserte vibrasjoner (opptil et par kabeldiametre) er utført av stipendiat Nicolo Daniotti med professor Jasna Bogunovic Jakobsen som hovedveileder og professor Jonas Thor Snæbjörnsson som medveileder.

Risikovurdering av skipskollisjon og dynamisk respons fra flytende broer

Brokonstruksjoner er truet av utilsiktede skipskollisjoner. Potensielt kan skip med stor kinetisk energi forårsake alvorlige skader på brokonstruksjonene hvis en ulykke skulle inntreffe.

I samarbeid med Statens vegvesen og Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet leder UiS-teamet et forskningsprosjekt om design og analyse av lange flytende broer over de norske fjordene. Forskergruppen prøver å bidra til utviklingen av designretningslinjer som skal hindre utilsiktede skipskollisjoner.

Forskningen tar sikte på å etablere analyseverktøy og prosedyrer for risikovurdering av skipskollisjon og estimering av strukturelle skader. De dynamiske lokale og globale responsene til flytende broer under skipskollisjoner vil bli undersøkt.

Varighet: 2019-2021
Finansiering: Statens vegvesen
Forskere ved UiS: Professor Jasna B Jakobsen and førsteamanuensis Yanyan Sha

Testanlegg for pendelpåvirkning

Broer, bygninger og offshore-strukturer kan utilsiktet få belastning fra kollisjoner, eksplosjoner og annet. Å forstå hvordan bygningsmaterialer og konstruksjoner oppfører seg under belastning er viktig for å løse en rekke tekniske problemer.

I samarbeid med Statens vegvesen har laboratoriet for strukturell påvirkning og dynamikk ved UiS utviklet et pendelpåvirkningstestanlegg som kan observere, måle og analysere strukturell atferd under påvirkning. Testapparatet inkluderer et høyhastighetskamera med høy oppløsning og et digitalt bildekorrelasjonssystem som kan fange strukturell deformasjon og brudd i materialer. Dette anlegget gir forskere, industri og studenter muligheten til å utforske innovativ og bærekraftig design av ulike slagfaste strukturer.

Forskere ved UiS: Professor Jasna B Jakobsen og førsteamanuensis Professor Yanyan Sha.