Understanding and Predicting Extreme Wind Fluctuations on the Hardanger Bridge: Implications for Bridge Monitoring and Safety

Abstract

Mange av dagens og fremtidens broer i Norge er bygget i kupert terreng med uforutsigbare vindforhold. Store variasjoner i vindhastighet kan føre til ulykker for kjøretøy og fotgjengere. Unødvendig stenging av broer kan ha betydelige sosioøkonomiske kostnader. Det er derfor viktig å forbedre forståelsen og evnen til å forutsi ekstreme variasjoner i vindhastighet, samt å forbedre varslingssystemene på broer for å minimere både risiko og kostnader.

For å oppnå dette analyserer denne oppgaven data samlet inn fra Hardangerbrua ved hjelp av ni vindmålere. Hovedmålet er å identifisere og forstå store variasjoner i vindhastighet: når og hvor ofte de oppstår. Å forstå vindkarakteristikker er avgjørende for å kunne analysere disse svingningene. Et sekundært mål er derfor å forbedre forståelsen av ulike vindkarakteristikker og deres sammenhenger. Oppgaven benytter et bredt spekter av teorier og verktøy for å analysere vinddata registrert mellom 2014 og 2017.

Dataene er grundig behandlet for å avdekke både interessante mønstre og mulige avvik. Store variasjoner i vindkarakteristikker er observert langs broen, og viktigheten av å skille mellom østlig og vestlig vind er tydelig gjennom hele oppgaven. Spektralanalysen viser at påliteligheten til ulike modeller avhenger av vindretningen og plasseringen langs broen. Den analytiske modellen som passer best til måledataene er von Kármán i østavind. Turbulensintensiteten varierer langs broen og viser ulike trender når man sammenligner østlig og vestlig vind. I vestavind er turbulensintensiteten høyere mot nord, mens i østavind er det mindre variasjoner langs hele broen. Analysen av vindkarakteristikkene viser at østavinden er mer energisk og turbulent.

To ekstremverdi-teknikker brukes for å forutsi ekstreme middelvindhastigheter: metoden for uavhengige stormer og topp-over-terskel-metoden (method of independent storms og peaks over threshold). Resultatene viser skiftende vindmønstre langs broen, med de kraftigste vindene fra vest. Dette samsvarer med tidligere funn, men et mer omfattende datasett ville redusert usikkerheten til prediksjonene.

Denne oppgaven er en av de første som bruker ekstremverditeori til å forutsi returperioden til ekstreme vindhastighetsvariasjoner. De to teknikkene som brukes for å forutsi ekstrem middelvindhastighet benyttes også til å forutsi ekstreme hastighetsvariasjoner for flere returperioder. Resultatene viser en høyere risiko for store hastighetsvariasjoner under østlig vind, noe som samsvarer med analysen av vindkarakteristikkene. Store vindhastighetsvariasjoner fra måledataene er analysert. Hastighetsvariasjonene ved østavind kan forekomme under relativt lave vindhastigheter. Disse funnene kan danne grunnlag for å utvikle et smartere, tryggere og mer effektivt overvåkingssystem for Hardangerbrua og andre broer.

Many of the current and future bridges in Norway are located in complex terrain where the wind is unpredictable. Large wind fluctuations can lead to accidents for vehicles and pedestrians. However, closing the bridge prematurely can have significant socioeconomic costs. Therefore, there is an incentive to better understand and predict extreme wind events and to create an enhanced notification service to minimise both risk and cost.

To achieve these goals, this thesis analyses the data collected on the Hardanger Bridge using nine anemometers located along its length. The primary objective is to identify and understand large wind velocity fluctuations: when and how often they occur. Understanding wind characteristics is crucial for understanding these fluctuations. Therefore, a secondary objective is to improve the understanding of wind characteristics and their implications. The thesis employs a wide range of statistical tools and theoretical frameworks to analyse wind data recorded between 2014 and 2017.

The data are thoroughly processed to reveal both interesting patterns and potential errors in the data. Large variations in wind characteristics are found along the bridge and the importance of distinguishing between easterly and westerly winds is emphasised throughout the thesis. The spectral analysis reveal that the reliability of different analytical models depends on the wind direction and the location along the bridge, the model that matches the measurements best is the von Kármán model during easterly winds. The turbulence intensity varies along the bridge and shows different patterns for easterly and westerly winds. It is highest towards the north during westerly winds, while it is more uniform along the bridge during easterly winds. Analysis of the wind characteristics reveals that easterly winds are more energetic, chaotic, and turbulent.

Two methods are used to predict extreme mean wind events: the classic method of independent storms and the commonly used peaks over threshold method. The results reveal changing wind patterns along the bridge, consistent with previous findings. However, the results also indicate that a longer and more comprehensive data set is needed to improve the accuracy and reliability of the predictions.

This thesis is one of the first to investigate the prediction of extreme velocity fluctuations. These predictions are inspected alongside several recorded fluctuations large enough to cause accidents. The two methods used to predict extreme mean wind events are also used to predict extreme velocity fluctuations for several return periods. The results show a higher risk of encountering large velocity fluctuations during easterly winds, corroborating the analysis of the wind characteristics. These findings could provide a foundation for developing a smarter, safer and more efficient monitoring system for the Hardanger Bridge and other bridges.