Dimensjonering av brutårn: En løsning for hengebru over Sulafjorden

Abstract

Sulafjorden byr på en av de mest teknisk krevende fjordkryssingene i ferjefri E39-prosjektet. I denne oppgaven modelleres og analyseres en mulig løsning for hengebru med et hovedspenn på 2800 meter. Hovedfokuset er på dimensjonering i bruddgrensetilstand av brutårnene som bygges i en miljøvennlig B90 betong, og 2. ordens effekter er en sentral del av oppgaven.

Målet med oppgaven er å dimensjonere brutårnene til Sulafjordbrua for styrke og stivhet, og undersøke effekten av å endre ulike parametere i tårnet. For å ha et utgangspunkt for bruas dimensjoner og geometri, ble Hardangerbrua oppskalert med skaleringsteori som estimerer tårnhøyden til å være over 400 meter. Sulafjordbrua har blitt modellert i FEM-programmet Abaqus, med én modell for frittstående tårn i byggetilstand, og én modell for ferdigbygget bru. I utgangpunktet har brutårnene blitt dimensjonert for en E-modul på 13000 MPa, og nødvendig lengdearmering for tverrsnittene er beregnet med et Excel-program.

Den oppskalerte bruas dimensjoner er kun et estimat, så det har derfor blitt undersøkt hvordan tverrsnittene kan optimaliseres for lavest mulig materialforbruk. Tverrsnittsbredden ble redusert med 25% fra oppskalerte dimensjoner. Betongvolumet er dermed redusert, og resultater viser at behovet for lengdearmering også reduseres. En analyse av ett spesifikt tverrsnitt midt i tårnet viser at en kombinasjon av slakk- og spennarmering kan redusere det totale stålarealet med 48%, samtidig som at tverrsnittet opprettholder sin kapasitet og stivhet. For det samme tverrsnittet viser beregninger med ulike stivheter at en E-modul på 21000 MPa gir minste armeringsmengde, og dette regnes som den optimale stivheten. Med denne optimale stivheten kan veggtykkelsen reduseres med 25% uten at tårnet får stabilitetsproblemer. Likevel er det vanskelig å konkludere med en best mulig løsning, ettersom alle kombinasjoner av parameterne påvirker brutårnenes kapasitet og stivhet ulikt. En tilnærmet optimal løsning vil være en kombinasjon av parameterne.

Sulafjorden offers one of the most technically demanding fjord crossings in the ferry-free E39 project. In this thesis, a possible solution for a suspension bridge with a main span of 2800 meters is modeled and analyzed. The main focus is on design in ultimate limit state of the bridge towers that are built with an environmentally friendly B90 concrete, and 2nd order effects are a central part of the thesis.

The aim of the thesis was to design the bridge towers of the Sulafjord Bridge for strength and rigidity, and to investigate the effect of changing various parameters in the tower. To have a starting point for the bridge's dimensions and geometry, the Hardanger bridge was scaled up with scaling theory which estimates the tower height to be over 400 meters. The Sulafjord bridge has been modeled in the FEM-program Abaqus, with one model for free-standing towers in construction condition, and one model for a completed bridge. Initially, the bridge towers have been designed for an E-modulus of 13000 MPa, and the required reinforcement for the cross-sections has been analyzed with an Excel program.

The dimensions of this upscale bridge are only an estimate, so it has therefore been investigated how the cross-sections can be optimized for the lowest possible material consumption. The cross-sectional width was reduced by 25%. The concrete volume is thus reduced, and results show that the need for longitudinal reinforcement is also reduced. An analysis of a specific cross-section in the middle of the tower shows that a combination of slack and prestressing reinforcement can reduce the total steel area by 48%, while the cross-section maintains its capacity and rigidity. For the same cross section, calculations with different stiffnesses show that an E-modulus of 21000 MPa gives the least amount of reinforcement, and this is considered the optimal stiffness. With this optimal rigidity, the wall thickness can be reduced by 25% without the tower having buckling issues. Nevertheless, it is difficult to conclude what the best possible solution is, as all combinations of the parameters affect the capacity and stiffness of the bridge towers differently. An optimal solution would be a combination of the parameters.