Nylig plasserte forskere ni sensorer på Lysefjordbrua i Rogaland. De skal overvåke vind på brostedet og vibrasjoner forårsaket av vind og trafikk på broen.

Registreringene fra sensorene gir et presist bilde av påkjenningene som broen utsettes for.

– Systematiske målinger over flere måneder vil gjøre det mulig å si noe om broens gjenværende levetid, sier lederen av forskningsprosjektet, professor Jasna B. Jakobsen ved Universitetet i Stavanger.

Avanserte vindmålere

Fem av sensorene er avanserte vindmålere som fastslår vindhastighet og -retning med stor nøyaktighet ved hjelp av ultralyd – såkalte ultralydanemometre.

Disse målerne sender ultralydpulser med frekvenser på mer enn 20 kHz, over nivået vi mennesker kan høre, mellom tre par sensorer.

Vindhastigheten slås fast ved å måle tiden lydbølgene bruker fram og tilbake mellom målerne, fordi lyden forplantes som bølger eller vibrasjoner i luften.

Med tre par sensorer kan man måle vinden i tre ulike retninger. Dette gir et komplett bilde av vindens retning og hastighet på et bestemt punkt.

32 per sekund

Anemometrene gjør 32 målinger i sekunder. Dette gir et langt mer nøyaktig bilde av vindforholdene enn man får med mer tradisjonelle målere.

Ultralydanemometre er ikke noe nytt på markedet, de er bare mer kostbare og krevende å bruke. Derfor brukes de helst til spesialundersøkelser av turbulent vind.

Sensorene gir et detaljert bilde av vindforhold langs konstruksjonen og hvordan disse endres med vindretningen.

Dette er viktig, fordi dagens beregningsmodeller som regel forutsetter at forholdene er jevne langs hele brospennet. I realiteten varierer vindstyrken på ulike deler av broen, både i kastene og den såkalte middelvinden - gjennomsnittet over 10 minutter, som danner grunnlaget for kategoriene bris, kuling, storm og orkan.

Trådbrudd i kablene

Målekampanjen som nå pågår i Lysefjorden er et forskningssamarbeid mellom Universitetet i Stavanger, Universitetet i Reykjavik og Statens vegvesen Region vest.

De valgte Lysefjordbroen fordi den er lett å komme til, og fordi den har gitt Vegvesenet en del utfordringer med trådbrudd i hovedkablene.

Broens sikkerhet er ikke truet på kort sikt. Likevel kan målinger av påkjenninger og faktiske vibrasjoner være nyttige også i denne sammenheng.

Flere svar

Store mengder data blir nå kontinuerlig samlet inn på Lysefjordbrua, og i løpet av det neste halvåret skal doktorgradsstudent Etienne Cheynet gjøre flere analyser av dem.

Ved å studere hvordan vinden blåser mot ulike deler av broen på samme tid, kan forskerne forhåpentlig få svar på flere spørsmål:

• Hvor jevne eller ujevne er luftstrømmene mot broen?
• Hvordan påvirker luftstrømning og broen hverandre?
• Hvor store påkjenninger må konstruksjonen tåle og hvor mye varierer spenningene?

Målet er å lage en mer realistisk modell av hva slags vind som faktisk forekommer på stedet. Det er også aktuelt å analysere hvordan vibrasjonene fra biltrafikken spiller inn.

Viktig for lange broer

Gode modeller for å beregne vindens påvirkning er spesielt viktig for prosjektering av lange broer, som for eksempel i det pågående prosjektet om å gjøre E39 fergefri. Vegvesenet bruker universitetsmiljøer for å finne ny kunnskap.

– Vi ser på denne forskningen som viktig. Det er stort behov for å optimalisere løsningene våre for å kunne bygge lengre brospenn, sier Mathias Kjerstad Eidem.

Han leder Fjordkryssingsprosjektet, som skal videreutvikle teknologi for ulike typer broer for å kunne krysse de resterende fjordene langs E39.

Ny kunnskap er ikke minst viktig for økonomien i slike prosjekter. Redusert usikkerhet gir lavere kostnader, for eksempel ved at man kan bygge lettere konstruksjoner eller ha mindre sikkerhetsmarginer.

Måler i løse luften

Overvåking av turbulens og modellering av vindpåkjenninger er også relevant for vindenergi. Derfor har Norwegian Centre for Offshore Wind Energy (Norcowe) bidratt med tre av sine vindsensorer til dette prosjektet.

I 2014 vil aktiviteten i Lysefjorden bli utvidet med optisk fjernmåling av vindforhold. Der vil Norcowe også bidra med lidar, en nyere instrumenttype for optisk fjernmåling av vind. Dette er sjeldent, om ikke unikt, i brosammenheng.

Lidar er spesielt nyttig i planleggingen av broer, fordi man på forhånd kan måle vindforhold i det tomme luftrommet hvor broen skal bygges. Normalt samler man inn måledata fra en sensor plassert oppe på en av fjordsidene, men der kan vindforholdene være noe annerledes enn ute i fjorden.

Ulike teknikker

Lidar måler som regel fra et fast punkt på bakken eller en bygning, men kan også settes på skip, fly eller andre bevegelige innretninger. De kan ha en rekkevidde på flere kilometer, noe som gjør det mulig å overvåke store luftvolum.

Det betyr at de gir begrenset informasjon om turbulens. Likevel er det interessant for forskere å sammenligne lidar-målinger med målingene fra et begrenset antall punkt langs broen, og se hvordan disse to teknikkene utfyller hverandre.