Analyse og dimensjonering av Halsafjordens strekkstag understøttede hengebro utsatt for støt fra store skip

Abstract

I 2014 la Stortinget frem ambisjonen om å bygge broer for å erstatte fergesambandene på alle fjordkrysningene langs E-39 mellom Kristiansand og Trondheim. Flere av fjordene er så dype og brede at det ikke er gjennomførbart å bygge tradisjonelle brokonstruksjoner som kun er understøttet på fast grunn. For krysningen av Halsafjorden er det foreslått å bygge en hengebro med to spenn, der den midtre bropilaren vil stå på en strekkstag plattform, altså et flytende fundament. Ulykkeslaster fra skipsstøt mot den flytende pilaren utgjør en avgjørende faktor ved dimensjonering av konstruksjonen og for regulering av skipsfarten i området. En risikoanalyse gjennomført på oppdrag fra Statens Vegvesen konkluderer med at frakteskipet SC-Connector vil utgjøre den største trusselen ved en eventuell kollisjon. Denne oppgaven tar for seg konsekvensene av en slik kollisjon ved å benytte numeriske simuleringer til å estimere kollisjonskraften, og å analysere broens respons til denne kraften.

For å beregne kollisjonskraften fra SC-Connector har det blitt laget en detaljert numerisk modell av baugen til skipet basert på konstruksjonstegninger fra verftet. Ved å simulere at baugen komprimeres av en stiv vegg kan man hente ut kraft-deformasjons kurven, som er et essensielt verktøy for å beregne kollisjonskraften mot broen. Kurven forteller hvor mye energi baugen har absorbert, samt kontaktkraften mot den stive veggen, for hver lengdeenhet baugen komprimeres.

Brokonstruksjonens respons blir analysert ved hjelp av en numerisk modell der skipet er modellert som et masse-fjærsystem mens broen er inkludert i sin helhet. Ved å modellere skipets kinetiske energi som en punktmasse med initiell hastighet, og implementere kraft-deformasjons kurven til baugen i en fjær som kobles mellom punktmassen og broen oppnås en tilnærmet fysisk korrekt kollisjonslast. De to antatt verste scenariene har blitt analysert. I den første simuleringen treffer skipet bropilaren i sentrum, mens i den andre simuleringen treffer skipet eksentrisk slik at pilaren påføres et moment. I begge tilfellene kommer skipet i full hastighet, som er \mbox{15 knop} og som gir en kollisjonsenergi på \mbox{485 MJ}.

Kollisjonskraften i de to simuleringene er nokså lik. Den ligger på \mbox{60-70 MN} gjennomsnittlig og maksimalt \mbox{131 MN}. Varigheten av kollisjonen er ca. \mbox{1.5 s}. Skipet absorberer omtrent \mbox{67-72 \%} av kollisjonsenergien. Inntil \mbox{160 MJ} blir overført til broen.

Lastvirkningene og bevegelsene som følger av kollisjonen er akseptable. Svai og gir bevegelsene til den flytende bropilaren gir maksimal transversal utbøyning av brobjelken i størrelsesorden \mbox{11 m}, som tilsvarer \mbox{1 \%} av broens lengde. Broen opprettholder sin integritet, da kreftene som oppstår er innenfor den respektive kapasiteten til alle delene av konstruksjonen, med god margin. Ingen av strekkstagene går over i trykk.

Modellen er konservativ, og en reell kollisjon vil være mindre belastende på den fysiske konstruksjonen. Det bemerkes at kun den globale responsen til broen er blitt analysert, og det antas at lokale deformasjoner på den flytende bropilaren kan være kritisk. Da omfanget og betydningen av slike skader foreløpig er ukjent må disse derfor undersøkes videre.