SÅ HANTERAS AERODYNAMISKA KRAFTER VID UTFORMNING AV VÄRLDENS LÄNGSTA HÄNGBROAR

06.08.2019 / Allan Larsen

Behovet av längre, tåliga, stabila och kostnadseffektiva hängbroar ställer höga krav på utredningar av aerodynamisk stabilitet i brokonstruktioner. Moderna byggnormer, vindtunnlar och avancerad sensorteknik är några av de nödvändiga verktyg som finns.

För hundra år sedan såg broingenjörer gravitationen som den primära naturkraften att ta hänsyn till, men med dagens behov av längre och ändå tåliga och kostnadseffektiva broar har detta ändrats. Kunskaper om strukturell mekanik och materialvetenskap förblir givetvis grunddiscipliner inom brobygge, men med växande efterfrågan på allt längre hängbroar har en annan naturkraft blivit lika viktig: vinden.

BAKSIDAN AV INNOVATIONEN

Hängbroar är ett exempel på hur konstruktioner har utvecklats i takt med ökade ingenjörskunskaper, förbättrade byggmaterial och nya former. Dessa framsteg gör att vi idag kan bygga ännu längre broar än vad som igår var möjligt.

En typisk hängbro består av relativt få element. Vägen eller järnvägen löper på brobanan som hålls uppe av vertikala kablar, som i sin tur hänger från bärkablar. De flesta hängbroar har två par pelare som bärkablarna hänger ifrån, detta för att få upp bärkablarna tillräckligt högt för den bärkraft som krävs.

Hängbrons enkla konstruktion är vad som gör den kostnadseffektiv och ger bron ett slankt och elegant utseende, med brobanan svävande ovanför vattnet.

Men det finns en baksida med all innovation. Hängbrons kabelkonstruktion gör strukturen väldigt flexibel och sårbar för vinden. Om det inte tas hänsyn till vindeffekterna när vi formger och bygger hängbroar kan följderna bli ödesdigra.

BROKOLLAPS GAV NYA INSIKTER OM AERODYNAMISKA KRAFTER

När en bro planeras kartläggs dess vindegenskaper i noggranna aerodynamiska studier. Tester utförs i stora vindtunnlar med skalmodeller, som har samma geometriska form, styvhet och egenskaper i massa som prototypen. Ofta kompletteras vindtunneltesterna med datorsimuleringar för att hitta den optimala geometriska formen för brobanan.

Det övergripande syftet med vindtunneltester är att bedöma om hårda vindar kan utlösa aerodynamisk instabilitet – ett fenomen där vinden skapar periodiska aerodynamiska krafter som synkroniseras med brostrukturens naturliga rörelser, vilket leder till stora vridrörelser i brobanan.

Broingenjörer började använda vindtunneltester för att undersöka vindeffekter efter år 1940, då bron Tacoma Narrows Bridge i USA kollapsade. Vad som då skedde var att vinden skapade stora vridrörelser som fick brons huvudspann att kollapsa på mindre än en timme.

SE VIDEON AV BROKOLLAPSEN SOM GAV UPPHOV TILL VINDTUNNELTESTNING

Mätmetoderna vid vindtunneltester har utvecklats enormt under årens lopp. I början kunde endast modellbrons rörelser i vinden mätas, som noterades med penna och papper för att dokumentera hur bron skulle röra sig och bli instabil vid blåst.

Remsskrivare var viktiga verktyg för att dokumentera om aerodynamisk instabilitet skulle uppstå och i så fall vid vilken vindhastighet. Dock ger inte dessa traditionella mättekniker insikt i det vi egentligen vill veta: hur de aerodynamiska lasterna fördelas och samspelar med brobanans rörelser.

Genom att titta närmare på Tacoma-brons kollaps har vi skaffat värdefulla insikter om vindens potentiellt förödande inverkan, som återigen har skapat ett behov av ny och mer avancerad teknik för vindtunneltester.

SENSORTEKNIK GER BÄTTRE MÖJLIGHET ATT FASTSTÄLLA AERODYNAMISK STABILITET

Med hjälp av dagens datorteknik och fasta tillståndets elektronik har vi nu mycket små trycksensorer, som kan användas för att mäta snabba tryckvariationer i realtid. Det ger oss en detaljerad karta över hur vindkrafterna rör sig på modellens brobana.

Baserat på den informationen kan vi ändra konstruktionen för att motverka oönskade tryckkartor och minimera destabiliserande aerodynamiska krafter.

Det är en enorm fördel. Tack vare denna nya teknik, som har utvecklats de senaste tjugo åren, kan vi snart bygga längre och stabilare hängbroar.

VÄRLDENS LÄNGSTA HÄNGBRO KOMMER ATT KLARA VINDAR PÅ 90 M/S

Vi har nyligen vindtestat en komplett aeroelastisk modell av en hängbro som enligt planerna ska slå världsrekord. Det gjordes i en 22 meter lång vindtunnel vid RCWE i Chengdu i Kina. Huvudspannet ska bli 2 023 meter långt, vilket gör detta till världens längsta hängbro.

Det viktigaste resultatet av testerna är att bron kommer att kunna motstå vindar i mer än 90 m/s tack vare brobanans konstruktion med dubbla balkar.

Räcker det med vindstyrkor upp till 90 m/s för experimentellt bevisad aerodynamisk stabilitet? Ja, det gör det.

Den högsta vindhastighet som någonsin noterats var 113 m/s i tre sekunder långa vindstötar under den tropiska cyklonen Olivia på Barrow Island i Australien. En tresekunders vindstöt är alldeles för kort för att sätta en stor hängbro i rörelse – den har svängningsperioder på 10–20 sekunder.

Enligt en grov men generös beräkning skulle motsvarande varaktig genomsnittlig vindhastighet vara cirka 30 procent lägre, det vill säga 87 m/s. Det är alltså rimligt att hävda att världens längsta hängbro experimentellt har visats kunna klara alla stormvindar den kan utsättas för.

Som vindingenjör för denna magnifika bro är jag stolt över att vi uppnådde vindhastigheter på 90 m/s utan tecken på aerodynamisk instabilitet. Det är en riktig triumf inom hängbrotekniken.

Pylonerna på hängbroar byggs ofta i armerad betong av ekonomiska skäl, men de 318 meter höga pylonerna som håller upp detta rekordspann kommer att vara av stål för att stå emot jordbävningar. Stål fungerar utmärkt i jordbävningsresistenta konstruktioner, men ur aerodynamisk synpunkt blir pylonerna för lätta och flexibla. Utan motåtgärder skulle pylonerna börja svänga från sida till sida i stark vind och ge ”studsande” aerodynamisk instabilitet. Det är varje broingenjörs värsta mardröm.

När det gäller att kompensera för pylonernas lätthet och böjlighet tittar ingenjörerna på den 509 meter höga byggnaden Taipei 101 i Taiwan. Den taiwanesiska skyskrapan är byggd i en blåsig och hyperaktiv jordbävningszon. Inne i byggnaden finns en 660 ton tung pendel av stål som dämpar de rörelser som vinden ger upphov till.

Om en tyfon eller jordbävning sätter byggnaden i rörelse börjar den hängande motvikten att svänga, vilket tar upp energi som annars skulle byggas upp till storskaliga vibrationer i byggnaden.

Samma princip finns på ritbordet för den nya bron. Med en motvikt på 25 ton hängande inuti varje pylon kommer dessa att kunna motstå starka vindar utan att det uppstår vibrationer.

SNABBARE AERODYNAMISKA UNDERSÖKNINGAR MED DATORTEKNIK

Med dagens datorteknik kan vi beräkna olika brokomponenters aerodynamiska beteende med god precision. Baserat på beräkningarna väljer vi sedan ut en eller två konstruktioner för testning och verifiering i vindtunnel.

På så vis går designprocessen fortare. Det är möjligt att ta fram en datormodell av brokonstruktionen på några dagar och inom en vecka kan vi få ett grepp om brons aerodynamiska egenskaper. I en vindtunnel kan det ta fyra–fem veckor att undersöka varje konstruktionsförslag från början till slut.

Kort sagt har vi stor nytta av datorteknik för att göra aerodynamiska undersökningar snabbare. Och den kommer att utvecklas ännu mer under kommande år.

DEN GLOBALA UPPVÄRMNINGEN SKAPAR HÖGRE VINDHASTIGHETER

Om vi tittar framåt kommer den globala uppvärmningen att ge en stadig höjning av världshavens genomsnittstemperaturer. Detta ger i sin tur mer energi åt tyfonerna som uppstår i Sydkinesiska havet och orkanerna som föds i Karibien.

En prognos över denna tendens ger en ökning av vindhastigheten i tyfonerna i nordöstra Stilla havet från dagens 55 m/s till cirka 63 m/s år 2100, och att extrema vindar kan nå hastigheter upp till 68 m/s.

Den genomsnittliga vindhastigheten förutspås öka med 14 procent under de närmaste 85 åren. (Källa: Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego)

Dessa prognoser är viktiga att ha i åtanke när vi testar stabiliteten i brokonstruktioner, som normalt utformas för att hålla i minst hundra år. Ändrade vindförhållanden måste därför avspeglas i nationella byggnormer, som sätter premisserna för vindtunneltester och konstruktionsdesign.

Det är mycket troligt att vindtunneltester kommer att visa att det krävs mer geometriskt sofistikerade konstruktioner och nya konstruktionsmaterial, för att säkerställa aerodynamisk stabilitet i broar i en framtid präglad av klimatförändringar.