Her ser vi illustrasjon av den endeforankrede flytebruen over Bjørnafjorden. Bruspennet ut til første pongtong er på over 400 meter, om lag like langt som hovedspennet på Lysefjordbrua. (Foto: SVV / ViaNova / Baezeni)
Skal sikre verdens lengste flytebru mot kraftig vind
For å bygge brua må utbyggerne vite nøyaktig hvordan vinden oppfører seg. Det skal forskere sørge for med ny metode for å måle vinden.
I gigantprosjektet Ferjefri E39 skal Statens vegvesen finne løsninger for sju fjordkrysninger langs den 1100 kilometer lange kyststrekningen mellom Kristiansand og Bergen.
For at dette ambisiøse veiprosjekter skal lykkes, må ingeniørene ta i bruk den ypperste kompetansen på vei- og brubygging som fins, og innhente ny kunnskap og utvikle ny teknologi.
Tre forskingsmiljø er spesielt engasjert for å bidra til dette: NTNU, Chalmers tekniske högskola i Gøteborg og Universitetet i Stavanger (UiS).
Siden 2013 har Statens vegvesen samarbeidet med en gruppe UiS-forskere som i løpet av de tre siste årene har utviklet en ny metode å måle vind på, for å dimensjonere buer. Metoden tas nå i bruk for første gang.
Verdens lengste bru
Ett av hindrene – eller forbindelsene som skal opprettes i Ferjefri E39 – er Bjørnafjorden sør for Bergen. Med en dybde på opptil 550 meter og en totallengde på rundt fem kilometer er fjorden en av de tre vanskeligste fjordene som skal krysses i dette veiprosjektet.
– Vi har aldri dimensjonert en så stor og lang bru før. Det er derfor avgjørende å skaffe best mulig informasjon om bølge-, strøm- og vindforholdene, forteller prosjektleder Mathias Egeland Eidem i Statens vegvesen.
Bjørnafjord-kryssingen vil bli verdens lengste flytebru, altså en bru der den vertikale lasten bæres av pontonger, som fungerer som et flytende understell.
– Det er viktig for oss å få forskerne til å strekke seg lenger enn det de vanligvis gjør. Vi trenger mest mulig nøyaktig informasjon – for eksempel når det gjelder vindfeltet over fjorden, forklarer Eidem.
Tradisjonelt er vind i en fjord målt fra målemaster som er plassert på land. For tre år siden begynte vindeksperter på UiS å ta i bruk en optisk fjernmålingsteknikk for å kartlegge vindforhold.
Lidar-teknologien går ut på å sende usynlige lysstråler ut i luften og fange opp signalene som blir reflektert tilbake av partikler som beveger seg med vinden. Frekvensforskjellene mellom pulsene som sendes ut og reflekteres tilbake, såkalt dopplereffekten, gjenspeiler vindhastigheten i lysstrålenes retning.
Inspirert av muligheten denne teknologien kunne gi, gjennom arbeidet i forskningsprogrammet NORCOWE (Norwegian Center for Offshore Wind Energy), satte forskerteamet ved UiS i gang et pilotprosjekt på lidarmålinger i Lysefjorden – i samarbeid med Statens vegvesen.
I 2013 ble den 640 meter lange hengebrua over Lysefjorden i Rogaland, med hovedspenn på 446 meter, utstyrt med en rekke sensorer som skulle overvåke vinden på brustedet og vibrasjoner forårsaket av vind.
I 2014 supplerte forskerne den tradisjonelle vindmålingen med optisk fjernmåling av vind, i samarbeid med NORCOWE forskere fra Universitetet i Bergen og Christian Michelsen Research (CMR). Ved å plassere en lidar med lang rekkevidde ved Lysefjordsenteret kunne de skanne vinden rundt brua på en avstand på nærmere to kilometer.
Resultatene av vindmålingene med lidar-teknologi på Lysefjordbrua ga forskerne et kick.
– Det var oppløftende å se at vindhastigheten registrert fra så stor avstand samsvarte så godt med resultatene fra den tradisjonelle målemetoden med vindmålinger på selve brua, forklarer Jasna Bogunovic Jakobsen ved Institutt for konstruksjonsteknikk og materialteknologi ved UiS.
Hun har drevet forskning på vindlaster og vindinduserte svingninger av brukonstruksjoner i over 25 år og har ledet arbeidet med å bruke og videreutvikle denne målemetoden for bruprosjekter, som Lysefjord-målingene ga startskuddet til.
– Fram til nå har vi bare kunnet skaffe oss begrenset kunnskap om vindforholdene midt ute i en fjord. Lidar-teknologien gjør det mulig å måle mange steder over hele fjorden og samtidig være fri for forstyrrelser som terrenget på hver side av fjorden gir. Med den nye metoden får vi mer detaljert kunnskap om vinden midt i fjorden, der hvor vindstyrke og vindkastene er som regel av størst betydning for brua, forklarer Jakobsen.
I stedet for å overvåke vinden bare lokalt, i et punkt, får forskerne nå informasjon om vindfeltet over hele bruspennet.
– Med denne målemetoden minsker vi usikkerheten når vi gjør kompliserte vurderinger av vindens virkning og belastning på lange bruer, påpeker professoren.
Her ser vi forskerne i aksjon sammen med laserinstrumentet, en langrekkevide-lidar med navn WindCube100S, plassert ved Lysefjordsenteret. Lysefjordbrua er i bakgrunnen. UiS-forskerne Jasna B. Jakobsen med ryggen til og Etienne Cheynet, begge fra UiS, og Valerie Kummer fra UiB. (Foto: Benny Svardal / CMR)
Gir optimal design
Denne type tredimensjonal skanning av luften har blitt brukt innen meteorologi, luftfart og til kartlegging av vindenergi ressurser. Lidarmålinger av vindforholdene både «oppstrøms» og mellom vindturbinene utnyttes til å planlegge optimal kraftproduksjon og drift av vindturbiner.
Også når det gjelder utbygging og drift av store vindparker til havs, er lidarmålinger brukt mer og mer. Det er nemlig krevende og kostbart å installere tradisjonelle vindmålere på en målemast, særlig på store vanndyp.
– Denne nye målemetoden er også kostbar, men likevel besparende da den vil føre til en mer optimal design av broen for mer realistiske vindforhold, og derfor svært relevant når ingeniørene skal konstruere bruer over store norske fjorder, forklarer Jakobsen begeistret.
Våren 2016 gjennomførte Jakobsen og hennes team en seks uker lang målekampanje i Bjørnafjorden, i samarbeid med Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og CMR.
Tre lasermålere ble plassert på land med lysstråler rettet over havet og koblet til et vindskanner-system, som muliggjør samtidige, koordinerte målinger med tre skannende lidarer.
De store avstandene over fjorden krevde et spesialtilpasset måleoppsett og etterfølgende dataanalyser. Målet var et så detaljert og presist bilde av vindens romlighet og variasjon i tid som mulig.
– En superlang flytebru vil være ekstra følsom for vind og bølger. Det er derfor viktig å knytte langtidsmålinger av vind fra målemaster på land til de faktiske vindforholdene over havet, slik at vi best mulig kan forutsi hvor mye bruen vil svinge.
Nå arbeider Jakobsen og postdoktor Etienne Cheynet med analyser av måledataene samlet i Bjørnafjorden.
Utvikler beregningsmodellen
Jakobsen er blant annet begeistret over at lidarmålingene gjør det mulig å studere samspillet mellom luftstrømmen og brukassen.
Våren 2014 benyttet derfor forskerteamet det danske vindskanner-systemet med to hurtigsannende, kortrekkevidde lidarer til å utforske luftstrømning rundt selve brua. Vindhastighetsmålinger i vaken av Lysefjordbrua fanget opp sporene som brukassen laget i vindfeltet, inklusiv virvlene som avløses fra over- og undersiden av brukassen.
– Dette er fantastisk!, utbryter Jakobsen og viser en fargerik vindprofil med mange detaljer på dataskjermen, en visualisering av vindforholdene.
– Nå kan vi studere strømningsforhold som fram til nå kunne undersøkes kun i en mindre skala i et vindtunnel-laboratorium eller ved numeriske simuleringer på en datamaskin, men ikke i virkeligheten!
Forskergruppa sammenligner de målte vind-induserte bruvibrasjonene med vibrasjoner de kan anslå ut ifra modeller som blant annet baserer seg på vindlastmålinger på små modeller i en vindtunnel. Målet er å utvikle mest mulig nøyaktige beregningsmodeller for bruvibrasjoner forårsaket av vindlast, det vil si den belastningen som brua blir utsatt for i sterk vind.
Problemstillingen som Mathias Egeland Eidem i Statens vegvesen må forholde seg til når han skal lede arbeidet med teknologiutvikling for de sju fjordkrysningene er følgende: Dersom han velger for lav dimensjoneringskriterum for en bru, vil det gå ut over sikkerheten, velger han for høy, vil det være kostbart.
Derfor er det så viktig for ham å innhente ekspertise som kan gi ham mest mulig presis informasjon om bølge-, strøm- og vindforhold.
Eidem vil altså ta i bruk denne nye målemetoden som grunnlag for å lage såkalte designkrav i nye bruprosjekter i Ferjefri E39, blant annet når det gjelder Halsafjorden og Sulafjorden – i tillegg til Bjørnafjorden.
– Siden lidarmåling er en relativt ny teknolog i brusammenheng, er det viktig at vi knytter oss til vindekspertisen ved UiS. De kan tilpasse måleinstrumentene til våre behov, påpeker Eidem.
– Når vi har sikret oss et godt datagrunnlag, og vi har fått på plass en optimal beregningsmodell, vil vi kunne velge riktig dimensjoneringskriterium for brua vi skal bygge. Da er mye av jobben gjort.
Bjørnafjord-brua med en spennvidde på 5000 meter kan få en mulig byggestart i 2023.
Referanse:
E. Cheynet m.fl: Application of short-range dual-Doppler lidars to evaluate the coherence of turbulence. Experiments in Fluids, Desember 2016. DOI: 10.1007/s00348-016-2275-9. Sammendrag.
