Modelling and Analysis of a Submerged Floating Tunnel for Crossing of the Sulafjord

Abstract

Fergefri E39 skal binde sammen vestkysten av Norge ved å erstatte sju ferger med bruer og tunneller. De fleste fjordkryssningene kan krysses ved bruk av kjent teknologi, men det kreves nye innovative løsninger for de bredeste og dypeste fjordene. For å løse disse nye teknologiske utfordringene, må brokonstruksjonsbransjen kombinere sin kunnskap med erfaringer fra offshore industrien. I 2020 utlyste Statens Vegvesen en anbudskonkurranse for ulike fjordkryssningsalternativer, hvor rørbro var et forslag. Rørbroen består av to identiske tunellrør, i tandemkonfigurasjon, som er nedsenket 20-50 meter under havoverflaten. Rørbroen flyter ved hjelp av pongtonger på havoverflaten.

Målet med denne oppgaven er å modellere og analysere en rørbro i analyseprogrammet Ansys Workbench. Samt å vurdere om det er en god løsning for å krysse Sulafjorden, som er en værutsatt fjordkryssning med forventede sjøtilstander med bølgeperioder og bølgehøyder opp til 17 sekunder og 5 meter. En av fordelene til en rørbro er at tunellrørene er nedsenket til en dybde hvor krefter fra lokalt induserte bølger er minimale. Dette reduserer miljøkreftene som virker på systemet.

Modelleringen inkluderer to frittstående pongtonger som tåler en del av vekten fra rørtunellen, og en global modell av hele rørtunnellen. Responsanalyser er gjennomført for å identifisere bevegelsene til modellene i vannet og resonansområder. Resultatene viser at den globale modellen tåler de miljøkreftene som forventes i Sulafjorden, samtidig som at den unngår resonansområdene. Dette indikerer at en rørtunell kan være en god løsning for å krysse Sulafjorden.

The ambitious ferry free E39 project to connect the west coast of Norway by replacing seven ferries along the European road E39 with bridges and tunnels has brought up new engineering challenges. Most fjord crossings can easily be solved with known technology, however new innovative solutions are required for the longer crossings, where the bridge construction industry must combine their knowledge with the experiences from the offshore industry. In 2020 the Norwegian Public Roads Administration (NPRA) announced a tender competition for different fjord crossing technologies. One of the proposed solutions is a Submerged Floating Tunnel (SFT), which consists of two identical tubes that is rigidly connected in a tandem configuration that is submerged 20-50 meters below the sea surface and floats by means of pontoons.

The aim of this thesis is to use Ansys Workbench to model and analyse a model of a SFT, and determine if it is a good solution for crossing the Sulafjord. The Sulafjord is exposed to harsh weather, and sea states with wave periods and wave heights up till 17 seconds and 5 meter are expected. One of the advantages of a SFT is that the tube tunnels are submerged to a depth where the wave loads from local induced wind has no impact. This reduces the environmental forces affecting the system.

The modelling includes two stand alone pontoons that can withstand a part of the weight of the twin-tube SFT and a global model of the SFT. A response analysis is performed to identify the governing factors of motion and resonance region. The results reveal that the global model can withstand the environmental forces expected at the location, while avoiding resonant areas. This indicates that a SFT can be used to cross the Sulafjord.