Aerodynamiske tests af broer

Den teknologiske udvikling gør det muligt at konstruere broer længere og lettere, end det tidligere var muligt. Grænserne for længden af brospænd udvides konstant. Desuden designes mange broer som vartegn, der er arkitektonisk og strukturelt udfordrende. Aerodynamiske test i en vindtunnel er derfor helt afgørende for både sikkerhes og levetid.

Vindtunneltest af sektionsmodeller

Med hensyn til aerodynamik er brodækket den mest afgørende del af en bro. Dette gælder især for fleksible brokonstruktioner som hængebroer og skråstagsbroer. 

Brodækkets aerodynamiske egenskaber kan undersøges ved hjælp af en sektionsmodel. Test af sektionsmodeller bliver udført af FORCE Technologys division for maritim industri, tidligere kendt som det Danske Maritimt Institut (DMI). Sektionsmodeller repræsenterer en passende del af brodækket. Tests af sektionsmodeller sikrer et gunstigt tværsnit ved at fastlægge:

• design laster som formfaktorer for vindmodstand (drag), lift and moment (CD, CL & CM) 
• aerodynamiske stabilitetsgrænser for flutter og galloping 
• acceptable buffeting bevægelser 
• hvirvelinducerede svingninger af hensyn til udmattelseslevetid og brugerkomfort.

Hvis brodækkets aerodynamiske egenskaber overskrider de acceptable grænser, er det let at implementere geometriske ændringer, der kan forbedre brodækkets aerodynamiske egenskaber. Ligeledes kan afhjælpende foranstaltninger som dæmpere og ledeskovle (guide vanes) undersøges. 

Vindtunneltest af fritstående pyloner

Opførelsen af en bropylon er kritisk, eftersom der ikke er kabler og brodæk til at forhindre kraftig vridning eller sideværts bevægelser og deraf kommende store kræfter og momenter i fundamenterne. Det er derfor almindeligt at gennemføre vindtunneltests for at gøre denne del af opførelsen sikker.

Vindtunneltests af pyloner kan omfatte statiske lastforsøg og/eller aeroelastiske modelforsøg af forskellige faser af opførelsen eller af den færdige fritstående pylon. Statiske tests giver formfaktorerne til at bestemme den statiske udbøjning.

Aeroelastiske modelforsøg giver en komplet beskrivelse af pylonens dynamiske respons på vind ved at den fysiske bropylons respons på naturlig vind simuleres præcist i vindtunnellen. Dette giver også mulighed for at vurdere mulige hvirvelinducerede svingninger og aerodynamisk instabilitet som galloping. 

Test af aeroelastiske modeller af hele broer

Hele broens respons på vindbelastning kan kun bestemmes præcist ved en aeroelastisk test af en model af hele broen. En aeroelastisk model repræsenterer ikke kun broens geometri i detaljer, men gengiver også massefordelingen i dæk, pyloner og kabler, dækkets masseinertimoment og stivheden af dæk, kabler og pyloner samt kablers og dæks formfaktorer.

Dette betyder, at modellens repsons på vind i vindtunnellen svarer nøje til, hvordan prototypens struktur vil reagere på naturlig vind.

En aeroelastisk model kan testes for at undersøge: følsomhed over for hvirvelinducerede svingninger, aerodynamisk stabilitet som flutter og buffeting response, sideværts- og lodrette accelerationer og udbøjninger, bøjningsmomenter i brodækket ved pylonerne, pylonens fundaments-laster, pylon udbøjninger og broens respons for forskellige vindretninger. Kort sagt, aeroelastiske modelforsøg giver en komplet beskrivelse af broens respons på vindpåvirkning.

Aeroelastiske tests af hele broer gennemføres typisk i en geometrisk skala fra 1:100 til 1:200.

Stadier i opførelsen 

En bro under opførelse er i et meget udsat stadie. Under opførelsen har broen ofte en væsentlig mindre masse og mindre stivhed, da brodelene ikke 'hænger sammen', hvilket gør den mere følsom over for vindpåvirkning end den færdige struktur. En skråstagsbro, der opføres ved fri frembygning, er særligt sårbar med lange udkragede dæk, der hænger frit og kan bevæge sig både horisontalt og vertikalt. En hængebro under opførelse, med dæksektioner placeret fra midten af spændet ud mod pylonerne, har væsentligt forringet torsionsstivhed og er derfor mere følsom over for aerodynamisk instabilitet som for eksempel flutter.

Med stadigt længere brospænd er det afgørende at kunne forudse broens respons i denne kritiske fase af opførelsen. Vindtunneltests af aeroelastiske modeller af hele broer kombineret med numeriske beregninger af dette stadie er væsentlige værktøjer til at kunne opføre en bro sikkert. 

Detaljerede studier

Ved nogle brokonstruktioner er det nødvendigt med detaljerede undersøgelser. Vi har en lang række særlige forsøgsopstillinger og specifikke metoder til at undersøge specielle aerodynamiske fænomener. Derudover har vi stor erfaring i at udvikle og fremstille forsøgsopstillinger og metoder til at behandle alle former for aerodynamiske spørgsmål i forbindelse med brokonstruktioner. 

Vi har for eksempel udviklet en speciel opstilling til sektionsmodeller, der muliggør undersøgelse af hvirvelinducerede svingninger ved høje Reynolds tal. Den specielle opstilling gør det muligt samtidigt at måle bevægelser i brodækket og de tidsvarierende overfladetryk på dækket. En 3 frihedsgraders opstilling er dedikeret til måling af de såkaldte 'aerodynamic flutter derivatives' eller aeroydnamisk afledte: Hi*, Ai* samt Pi*.

Et andet eksempel er et arrangement, der simulerer tunede masse dæmpere (TMD), som kan sættes sammen med den dynamiske sektionsmodelopstilling. Opstillingen gengiver præcist masse, frekvens og dæmpning af dæmperne i fuldskala. Sådanne dæmpere bruges på fuldskala konstruktioner for at modvirke uønskede vibrationer som for eksempel hvirvelinducerede svingninger. Det er naturligvis af stor betydning at dokumentere effekten af sådanne dæmpere, før de installeres.

Studier af landskaber og terræner

Når en bro skal opføres i et område med bakker eller bjerge, er det vigtigt at bestemme strømningsforholdene for at få en korrekt gengivelse af vindforholdene i forbindelse med brodesignet. 

I den brede grænselagsvindtunnel kan vi teste store modeller af broens omgivende landskab. Vores tests giver brodesignerne en præcis beskrivelse af vinden på lokaliteten, hvis en fjerntliggende målestation for eksempel ikke kan levere relevante meteorologiske data om forholdene, hvor broen skal bygges.

Baseret på digitale kort over området beskrives landskabets konturer ved hjælp af 3D CAD-software. Denne software genererer filer til fræsning af modellen, der kan bruges i den automatiske fræser i FORCE Technologys værksted. Dette muliggør en hurtig og præcis fremstilling af modellen.

Undersøgelser af landskabsmodeller omfatter normalt områder på flere kilometer. Modellerne er typisk i en skala fra 1:1000 til 1:2000.

Både aeroelastiske- og sektionsmodeltests bliver udført af det tidligere Danske Maritimt Institut (DMI), nu kendt som FORCE Technologys Division for maritim industri.