Parametric Study of Bridge Concepts and Cable Net

Abstract

Dette masterprosjektet er en forstudie for konstruksjon av ny gangbro over kanalen mellom Tønsberg brygge og Kaldnes, i Vestfold og Telemark fylke. Prosjektet har en ingeniørfaglig inngang, og består av en konseptstudie for kabelnett bro, samt forenklede konstruksjonsanalyser og kontroll av egenfrekvenser. Prosjektets mål er å utvikle et brokonsept som har en trygg, praktisk og effektiv konstruksjon, og som passer inn i bybildet og gir innbyggerne en positiv tektonisk opplevelse. Bakgrunnen for prosjektet er innstillingen i Tønsbergs transportplan (2019) om ny gangbro med vippefunksjon mellom kaiområdene, Kaldnes vest og Tollboden. Kanalen er om lag 250 meter bred og 7 meter dyp, med bløte grunnforhold. Konseptet innebærer et 200 meter langt og 12 meter bredt kabelnett, som bærer et 6 meter bredt tregitter som sitt brodekke. Dette er et nytt og lite utprøvd konsept da strekk-broer vanligvis bruker høye tårn for å henge konstruksjonen på. Denne rapporten fokuserer i hovedsak på konstruksjonen av kabelnettet og tregitteret. Andre sentrale områder som vippefunksjon og fundamentering behandles ikke i rapporten, men trekkes inn der det er relevant for de andre komponentene. Et kabelnett er forspente konstruksjoner med ikke-lineær oppførsel. På grunn av broens aero-elastiske karakter, er undersøkelser av aero-dynamisk effekt høyst relevant. Rapporten avgrenser seg likevel til statiske- og periodiske laster forårsaket av menneskelig ferdsel. Den parameterstyrte programvaren Grasshopper er brukt i design- og modelleringsarbeidet, og Karamba er brukt som innebygd FEM-solver. Egenvekten av broen er 1,64 tonn/m, og er om lag 20 % lettere enn referansepunktet, London Millennium Footbridge. For øvrig er broens naturlige egenfrekvenser i tverrgående retning utenfor det kritiske domenet, mens den i vertikal retning tilfredsstiller komfortkravet for tillatte akselerasjoner. Rapporten konkluderer med at dette brokonseptet har mye potensial, men at det ikke passer for kanalområdet i Tønsberg. Brodekket i seg selv er av akademisk interesse og bør utforskes nærmere. Samtidig gjør byens behov for en bro med vippefunksjon, kombinert med de svake forankringsmulighetene i kanalen, at den skisserte kabelnettbroen vil være upraktisk og komplisert. På den andre siden er konseptets innovasjon godt egnet for områder med faste forankrings muligheter og grunne sjøforhold.

This thesis project comprises a preliminary footbridge design concept, intended for the quay areas of Tønsberg and Kaldnes, in Vestfold and Telemark County (Norway). With an engineering approach, the project investigates the usefulness of a cable-net bridge using tension membrane technology and includes simplified design analysis and self-frequency controls. The aim of the project is to create a bridge concept that has a stable, practical, and efficient construction, as well as a bridge that blends in with the cityscape and offers inhabitants a positive tectonic experience. The thesis reports on the contextual background and relevant bridge concepts. However, the primary focus is the structural analysis of the cable-net bridge concept. The analysis discusses the superstructure; thus substructure and bascule elements are not covered in depth. The technology of light-weight roof structures started in the early 1950s – after decades of monumental architecture – and became well known during the 1970s. Yet, light-weight bridges, particularly without pylons, is less common. Cable-nets are prestressed steel structures with non-linear behaviour. Although, it is understood due to the aeroelastic nature of the deck, it is important to investigate the aerodynamic effects of the aeroelastic structure as well, but in this thesis the study has been limited to Human Induced static and cyclic loading only.