Analysis and Design of Bjørnefjorden Floating Cable-Stayed Bridge subjected to Large Ship Collisions and Extreme Environmental Loads

Abstract

Tema for denne masteroppgaven er design av flytebroer mot skipsstøt. I denne oppgaven er flytebroen over Bjørnafjorden sett på. Modellen som er tatt utgangspunkt i er laget av Norconsult. Bakgrunnen for oppgaven er Statens vegvesens prosjekt med fergefri E39 fra Kristiansand til Trondheim. Det foreslåtte konseptet fra Norconsult er endeforankret flytebro, som er buet og består av 46 stålpontonger med 100 meters avstand mellom hver. I sørenden er det tilrettelagt for at skip kan passere under ved at broen er forhøyet. Prosjektet med flytebro over den brede fjorden er dyrt og derfor har flere alternative konsepter blitt vurdert. Dersom prosjektet blir gjennomført blir broen den største av sitt slag ifølge Statens vegvesen.

Omfanget av arbeidet med masteroppgaven er global analyse av flytebroen i USFOS og lokal analyse ved bruk av LS-DYNA. Først en gjennomgang av modellen brukt under prosjektoppgaven er gjort. Her er noen feil oppdaget og unøyaktigheter ved modellen er rettet opp. En egenverdianalyse er kjørt for å få en bedre forståelse av oppførselen til broen. I USFOS er søylen, som er koblet til pontongen som er utsatt for skipsstøt, undersøkt. En kapasitetssjekk med hensyn på knekking på denne søylen er gjort for kollisjonsenergier på 120 MJ og 350 MJ ved hjelp av DNVGL RP-C202. Sideveis kollisjon er funnet å være kritisk på grunn av store torsjonskrefter i søylen. For kollisjon rett på pontongen er utnyttelsen av kapasiteten henholdsvis 0.43 og 0.66 for 120 MJ og 350 MJ kollisjon. Sikkerhetsfaktorer er ikke tatt hensyn til. Kombinasjonen av aksialkraft i trykk og bøyemoment i trykk er den mest kritiske kraftkombinasjonen for direkte kollisjon, mens for sideveis kollisjon er aksialkraft i kombinasjon med skjær og torsjon kritisk.

En modell av broen er laget i LS-DYNA ved å transformere USFOS-modellen til DYNA-syntaks. Enkelte deler av broen er ikke like rett fram å modellere som i USFOS og dette har ført til en del unøyaktigheter med modellen. Blant annet ved innføring av stivhet fra vannlinjearealet på pontongene. Måten dette til slutt er innført på er ved hjelp av en bjelke med elastisitetsmodul, lengde og tverrsnittsareal som gir den ønskede stivheten. Kablene ned til brobjelken er tillagt en forspenning i USFOS-modellen for å representere strekkspenningen i kablene. Forspenningen bidrar til torsjonstivheten til broen. Dette er ikke modellert i broen i LS-DYNA, og fører til at broa blir ustabil. Med bakgrunn av dette er ikke karakteristikken til broen helt korrekt, og dette må man ta hensyn til når resultatene vurderes.

Den ytterste delen av pontongen, der hvor skipet treffer, modelleres med skallelementer og har et detaljert mesh med størrelse på hvert element omkring 100 mm. Skallmodellen består av plater, ringstivere, langsgående stivere, en ramme, et langsgående skott og et tverrskott. Tverrskottet er modellert som en rigid del, mens resten av modellen har isotropisk plastisk materiale. Skipsmodellen som brukes for kollisjonsanalysen er en baugmodell av et containerskip på 20 000 DWT. Et lokalt skipsstøt mot skallmodellen er først kjørt og her hentes kraft-deformasjonskurven ut, som implementeres i USFOS.

Til slutt kan alle tre modellene i LS-DYNA kombineres slik at en integrert kollisjonsanalyse kan kjøres, med skipsmodell, skallmodell og global modell av broen. Skipet er representert med et langt rigid bjelkeelement som har den ene enden i skipets tyngdepunkt og den andre enden i baugmodellen. Skipets karakteristikker er definert i noden til skipets tyngdepunkt. Resultatene fra denne analysen viser at pontongen tar mesteparten av energien og deformerer mest. Brudd er observert i den ytre platen, bunnplata og ringstiverne. Skipet peneterer 4 m inn i pontongen. Maksimal von Mises spenning i pontongmodellen er 496 MPa og det største bøyemomentet i brobjelken over skipstøtet er 1800 MNm. Bevegelsene og kreftene i broen utvikler seg relativt likt i både USFOS og LS-DYNA, grovt sett. Dette var også det overordnede målet med oppgaven.

Oppsummert så konkluderes det med at hovedmålet med masteroppgaven er nådd, som var å lage en modell av flytebroen i LS-DYNA. Riktignok finnes det en del feil og usikkerheter i modellen hvis man studerer resultatene detaljert, så det er ingen tvil om at videre arbeid og modifisering av modellen kreves om den skal bli helt nøyaktig.

The topic of this master's thesis is the design of floating bridges against ship collision. In this thesis the specific bridge investigated is the Bjørnafjorden floating bridge, namely Norconsult's proposed model of it. The backround is the project by the Norwegian Public Road Administration (NPRA) to make a continuous coastal highway from Kristiansand to Trondheim, i.e. a ferry free highway. The proposed bridge concept from Norconsult is an end-anchored floating bridge, which is curved and consists of 46 steel pontoons which are equally spaced by 100 m. At the south end the bridge is elevated, where it is possible for ships to pass through. This project has shown to be expensive and several concepts have been considered. If the project is completed, this bridge will be the longest of its kind according to NPRA.

The scope of work in this thesis are global analysis of the bridge by use of USFOS and local analysis using the finite element program LS-DYNA. Firstly, a review of the USFOS model used in the project thesis is performed. This results in some modifications of the model. An eigenvalue analysis is carried out in order to get an impression of the motion of the bridge. In USFOS the column connected to the struck pontoon is investigated. The capacity of the column is calculated for impact energies 120 MJ and 350 MJ by use of DNVGL RP-C202. For transverse impacts large shear stresses are found, which leads to the column exceeding its capacity. Therefore it should be considered to increase the dimensions of this column, if transverse impacts is to be taken into account. For head on impact the utilization is 0.43 for the most critical buckling mode for 120 MJ and 0.66 for 350 MJ, when the material factor is not taken into account. The compression-compression combination of axial stress and bending moment is the most critical mode for head on while it is the shear and axial combination for transverse, where shear includes shear force and torsional moments.

A global model of the bridge is created in LS-DYNA by transferring the USFOS model to LS-DYNA syntax. Some parts of the bridge are more tricky to model in LS-DYNA than in USFOS. One example is the representation of waterplane stiffness for the pontoons. The way this finally is implemented is by creating a beam with Young's modulus, length and cross sectional area that gives a stiffness corresponding to the aimed waterplane stiffness. The pretension in the stay cables is not implemented in the model. These cables gives a torsional stiffness contribution to the bridge girder and makes the model stable. This means that all the characteristics of the bridge girder are not captured in the model, and should be considered when discussing the results.

Only the part of the model where the ship hits is necessary to model with a fine mesh. Therefore a shell model is made for the outer compartment of the pontoon. The shell model consists of plating, rings, stiffeners, a frame and both longitudinal and transverse bulkhead. The transverse bulkhead is modelled as a rigid part, while the rest of the elements have isotropic plastic material. The mesh size is approximately 100 mm for the shell model. The ship model used for the collision analysis is a container ship bow with 20 000 DWT. A local ship-pontoon collision is first performed, where the resulting force-displacement curve is implemented in the USFOS analysis.

A fully integrated collision analysis is finally performed, including both the ship, pontoon submodel and global model of the bridge. The ship is represented by a long rigid beam connected to the ship centre of gravity in one end and the ship bow in the other. The ship characteristics are defined to the centre of gravity. The results indicates that the pontoon experiences more damage than the ship bow and fracture are observed in the outer plate, bottom plate and ring stiffeners. The ship penetrates 4 m into the pontoon. The maximum von Mises stress in the pontoon is 496 MPa and the maximum bending moment about the strong axis for the bridge girder is 1800 MNm above the struck pontoon. The development of the bending wave along the bridge girder follows the same pattern in both USFOS and LS-DYNA, rougly speaking. This was one of the goals with this task.

All things considered, the main goal of this thesis is achieved, which was to create a floating bridge model in LS-DYNA. Although when looking in detail into the results and consider the limitations of the model it is obvious that further modifications should be performed in order to have a perfectly correct model.