Aerodynamisk stabilitet av lange slanke hengebruer

Abstract

Som en del av fergefri E39 undersøkes det muligheten for en fast forbindelse over Sognefjorden. Et av alternativene er en hengebro med et hovedspenn på 3700 m. Dette spennet vil bli nesten dobbelt så langt som verdens lengste eksisterende hovedspenn. Naturlig nok vil det derfor oppstå helt nye utfordringer innenfor blant annet stabilitet. Denne oppgaven omhandler de aerodynamiske egenskapene til en slik grensesprengende konstruksjon, spesielt med tanke på avstivningsbæreren.Oppgaven begynner med et litteraturstudium. Hengebroers virkemåte blir presentert samt spesielle utfordringer ved lange spenn. Deretter presenteres metoden for utregning av horisontalkraft i hovedkablene. Instabilitets-fenomenene som oppstår for et brotverrsnitt gjennomgås: statisk divergens, dynamisk instabilitet i vertikalretning, dynamisk instabilitet i torsjon og flutter. Virvelavløsning beskrives, samt konstruksjonselementene som brukes for å unngå dette. Innvirkningen av avstivningsbæreren blir utforsket, og tre gunstige utforminger blir presentert. Hovedelementene til konstruksjonen har blitt oppgitt fra Vegdirektoratet. For å verifisere gjennomførbarheten til konstruksjonen blir kapasiteten til hovedkablene regnet ut og sammenlignet med den dimensjonerende kraften i hovedkablene. Deretter blir dataprogrammet Alvsat benyttet for å finne egenfrekvenser og egenmoder. Til slutt regnes stabilitetsgrensen for de ulike avstivningsbærerne ut.Avstivningsbæreren er et splittet kassetverrsnitt som består av to kassetverrsnitt koblet sammen ved hjelp av en tverrstiver. Parameteren som varieres er senteravstanden mellom de to kassene. Denne er enten 15 m, 20 m eller 30 m. Beregninger viser at grensen for dynamisk instabilitet endrer seg for de ulike avstivningsbærerne. For senteravstand 15 m mellom kassene blir flutter dimensjonerende og oppstår ved en vindhastighet på 74 m/s. For senteravstand 20 m mellom kassene vil dynamisk instabilitet i torsjon være dimensjonerende. Dette oppstår ved en vindhastighet på 107 m/s. Flutter vil også oppstå for denne utformingen, men blir ikke dimensjonerende. Noe overraskende oppnås det ingen stabilitetsgrense for avstivningsbæreren med 30 m senteravstand.Selve utførelsen av avstivningsbæreren vil dermed ha stor betydning for broens dynamiske egenskaper og påvirke den dimensjonerende vindhastigheten.Selv om det ikke har blitt utført vindmålinger ved plasseringen av broen over Sognefjorden ble det brukt 58 m/s på Hardangerbrua. Den dimensjonerende vindhastigheten virker derfor tilstrekkelig for de tre utførelsene av avstivningsbæreren. Effekten av en massedemper har ikke blitt undersøkt, men en massedemper vil kunne redusere responsen.