NY FORSKNING GER LÄTTARE OCH GRÖNARE BROAR

2020-06-03

I ett nyligen slutfört forskningsprojekt konstaterade man att mängden material som används för ett hängbrodäck kan minskas med över en fjärdedel – vilket motsvarar upp till 30 procent lägre koldioxidutsläpp. 

Brodäck till hängbroar har designats på ungefär samma sätt under de senaste 60 åren. Ett välkänt exempel i Danmark är Stora Bält-bron. För att möta efterfrågan på allt längre broar har Danmarks tekniska universitet (DTU) och COWI tillsammans studerat hur brokonstruktionen kan optimeras för att minska brodäckets vikt, främst genom att öka brospannet. Resultatet av det här forskningsprojektet, som nyligen publicerades i den erkända vetenskapstidskriften Nature Communications, visar på en enorm potential.

– Vi tillämpade olika metoder för att undersöka hur vi kan optimera materialanvändningen, som framförallt består av stål och betong. Från början utgick vi från traditionella konstruktioner och möjligheten att använda tvärskott i brodäcket för att uppnå en teoretisk viktminskning om upp till 14 procent, säger Mads Jacob Baandrup som utförde analyserna inom ramen för sitt doktorandprojekt och som i dag arbetar som ingenjör på COWIs broavdelning.

NY DESIGN GÖR STOR SKILLNAD

För att utreda om ännu större besparingar var möjliga tittade forskarna på vilka förändringar av konstruktionen som kunde göras. För detta använde man sig av topologioptimering, en välkänd metod inom fordons- och flygindustrin som tidigare aldrig har använts för storskaliga byggkonstruktioner.

– Enkelt uttryckt handlar det om att ”tömma” en brobalk på alla dess befintliga element så att vi är helt fria att utforma en helt ny konstruktion. Balkens innervolym delas sedan upp i en struktur med mycket små voxlar (3D-pixlar), som små tärningar. Sedan används topologioptimering för att avgöra huruvida varje enskild voxel ska bestå av luft eller av stålmaterial. Resultatet blir en balkkonstruktion med så liten stålanvändning som överhuvudtaget är möjlig utan att konstruktionen försvagas, säger lektor Niels Aage vid DTU Mechanical Engineering. Han är en av världens ledande forskare inom storskalig optimering och det var han som ansvarade för projektanalyserna.

Specifikt analyserades ett broelement med måtten 30 x 5 x 75 meter, som delades upp i två miljarder voxlar på bara några centimeter vardera, och därefter genomfördes en omfattande beräkning av en superdator. För en vanlig dator hade det tagit 155 år att utföra denna beräkning. Det är de största konstruktionsoptimering som någonsin genomförts.

Foto

I bakgrunden syns den turkiska Osman Gazi-hängbron, och resultatet av topologioptimeringen visas högst upp till höger. Optimeringsresultatet blev oerhört komplext och behövde därför tolkas, vilket ledde fram till en ny, enklare konstruktion (markerad med rött). Jämfört med den traditionella konstruktionen (markerad med blått) innebär den nya konstruktionen att brobalken blir upp till 28 procent lättare. De vita pilarna visar förloppet i konstruktionsprocessen.

EN KOLDIOXIDSNÅL OCH EKONOMISKT GYNNSAM LÖSNING

De data som genererats av datorberäkningen användes som indata för att optimera konstruktionen av brodäcket. Detta innebar bland annat att man kurvade de tvärgående skivor som tidigare varit raka, vilket gjorde att 28 procent mindre material behövdes till brodäcket. Detta innebär i sin tur en likvärdig minskning av de koldioxidutsläpp som uppstår under produktionen och transporten av betong- och stålmaterialen.

– Vi justerade beräkningarna för att optimera brons balkkonstruktion och se till att projektet skulle bli genomförbart utan alltför dyra produktionsmetoder. Den ekonomiska faktorn är viktig för att konstruktionen ska bli ett realistiskt alternativ för framtida broprojekt, säger Mads Jacob Baandrup.

VÄRDEFULLA KUNSKAPER FÖR FRAMTIDENS HÄNGBROAR

Ytterligare analyser kommer förstås att krävas innan den nya konstruktionen kan börja användas i broprojekt, men på COWI ser vi tydligt hur de här forskningsresultaten kan användas och ge mycket värdefulla kunskaper till framtidens hängbroprojekt.

– Den nya balkkonstruktionen kan sänka vikten och koldioxidutsläppen för bron som helhet med upp till 20 procent vilket självklart är gynnsamt för miljö och klimat. COWI arbetar också i många av världens största broprojekt, så en sådan här ny, lovande konstruktionslösning kommer också att gynna våra kunder och samhället i stort, säger Henrik Polk, Technical Director på COWI, som deltog i forskningsprojektet.

Också på DTU är man mycket glada över resultatet.

– Vi tror att det finns oerhört stora möjligheter att använda topologioptimering för att åstadkomma mer hållbara konstruktioner på fler områden, till exempel höghus, arenor och motorvägsbroar. Vi vill gärna fortsätta att utforska de möjligheterna, och eftersom byggbranschen står för 39 procent av de globala koldioxidutsläppen är varje möjlighet att minska detta förstås väldigt intressant, säger professor Ole Sigmund, DTU Mechanical Engineering.