Ståltårnene forbedrer samtidig broens egenskaber under jordskælv. Stål med høj styrke anvendes til broens hovedkabler, men stålet kommer også i spil for et optimalt design af tårnenes fundamenter. Her hjælper store rammede stålpæle med at sikre den lodrette bæreevne og minimere sætningerne, og samtidig sikrer pælene tilstrækkelig horisontal modstand mod skibsstød og jordskælv. Endelig anvendes store stålcylindre i tårnenes sænkekassefundamenter for at optimere byggetiden samt sikre opdriften under installation. Den samlede stålmængde til de permanente stålkonstruktioner udgør ca. 150.000 tons.
1 Introduktion
Tyrkiet fungerer i dag som en vigtig krydsning mellem Asien og Europa. Den hurtige økonomiske vækst sammen med øget turisme, landbrug og transport har ført til kroniske trafikpropper.For at løse disse problemer annoncerede den tyrkiske regering Vision 2023-programmet, som har til formål at øge vej-, jernbane- og søtransportkapaciteten. En del af programmet er at bygge en hængebro, som vil forbedre transportnettet i den vestlige side af landet. Hængebroen er den første bro, der krydser Çanakkale-strædet, i Europa også kendt som Dardanellerne.Brokrydsningen giver en alternativ rute for trafik til og fra Izmir, Tyrkiets 3. største by, uden at skulle passere Istanbul. Hængebroens hovedspænd på 2023m er det længste hovedspænd i verden.
2 Broens placering
1915 Çanakkale-broen (på tyrkisk 1915 Çanakkale Köprüsü) ligger 200 km sydvest for Istanbul, og spænder over Çanakkale-strædet. Strædet danner en naturlig opdeling mellem Europa og Asien, og det forbinder Marmarahavet og Sorte havet med Det Ægæiske Hav og Middelhavet, se figur 1.
Broen er placeret i den centrale del af den 321 km lange Kınalı – Balıkesir Highway, og den forbinder O-3 og O-6 motorvejene i det østlige Thrakien med O-5 motorvejen i Anatolien.
COWI har været involveret i andre større broprojekter i området, som også vist i figur 1 – Osman Gazibroen over Izmitbugten, der åbnede i 2016, og den 3. Bosporusbro ved navn Yavuz Sultan Selimbroen, som også åbnede i 2016. COWI var ansvarlig for detailprojekteringen af Osman Gazibroen, som har mange ligheder med 1915 Çanakkale-broen.
3 Beskrivelse af broprojektet
Et konsortium ved navn DLSY bestående af 2 sydkoreanske entreprenører Daelim (25%) og SK E&C (25%) samt 2 tyrkiske entreprenører Limak (25%) og Yapı Merkezi, (25%) vandt udbuddet om opførelsen af broen. De tilbød den korteste koncessionsperiode på lidt over 16 år startende fra kontraktens underskrivelse.
EPC-kontrakten blev underskrevet i marts 2017 og konsortiet skal bygge, administrere og drive broen i 16 år og to måneder på BOT-basis. Broen vil blive overdraget til den tyrkiske regering efter afslutningen af operationsperioden. Broen forventes bygget til en pris på omkring 2 milliarder EUR. Yderligere 0,8 milliarder EUR dækker udgifterne til motorvejen.
Byggeriet startede 18. marts 2017 og åbningen af broen fandt sted præcis 5 år efter den 18. marts 2022. Broen blev åbnet 1 år tidligere end tidsplanen sagde, hvilket også er præcis 1 år før 100-årsdagen for erklæringen af Republikken Tyrkiet i 1923.
COWI har stået for detailprojekteringen af broen og dækmontagen samt yderligere assisteret DLSY på pladsen i Tyrkiet gennem 2 år med et team på 6–7 personer under bygningen af ståltårnene, hovedkablerne samt montagen af brodækket.
4 Brodesign
Hængebroen har verdens længste med et hovedspænd på 2023m og to sidefag på hver 770m, hvilket giver en samlet brolængde på 3563m. Sammen med de to tilkørselsviadukter, bliver den samlede brolængde 4608m. En opstalt af broen kan ses på figur 2. Tårnene er i stål og har en højde på 318m og 334m inklusive en speciel tårntop.
4.1 Designfunktioner og udfordringer
Design af hængebro systemet er baseret på detaljeret FE-modellering. Den globale analysemodel (GAM) er etableret i det strukturelle design- og analysesystem IBDAS (Integreret BroDesign og AnalyseSystem) udviklet af COWI.
IBDAS er anvendt til design af mange af verdens store broer og er et moderne parametrisk FE-program, som skaber FE-modellen ved hjælp af en kombination af bjælke, skal og solide elementer. Lokale modeller har en direkte grænseflade til den globale model og aktiveres inde i den globale model for at opnå nem lastpåsætning samt fuldt korrekte randbetingelser. En gengivelse af de forskellige geometriske elementer i IBDAS FE-modellen og elementnettet kan ses i figur 3.
Ud over den generelle udfordring i forbindelse med design af en verdensrekord hængebro, skulle en række specifikke udfordringer behandles. Først og fremmest var tidsrammen for design og bygning ekstrem stram. Med planlagte 5 år til design, indkøb, fremstilling og montage, skulle designprocessen være effektiv og omfatte optimerede løsninger for at give mulighed for et hurtigt byggeri.
Ydermere har der også været en række tekniske udfordringer specifikt for 1915 Çanakkale-broen, som skulle håndteres og løses. Disse udfordringer relaterer sig blandt andet til dårlige jordbundsforhold, høj seismisk aktivitet i området, intens skibstrafik i Çanakkale-strædet samt vindklimaet og den forventede trafikbelastning på broen. Disse forhold har krævet særlig fokus på seismisk/jordskælvsdesign, aerodynamisk design af broens overbygning, analyser af skibskollisioner, trafiklast modellering mv.
4.2 Fundering af tårnene ved hjælp af sænkekasser
Ståltårnene er 334m høje inklusiv den specielle tårntop, hvilket gør broen til den højeste bro i Tyrkiet. Hvert tårn er funderet på en betonsænkekasse, som måler 74m i broens retning og 83m på tværs.
Hver sænkekasse er bygget i en tørdok tæt på brostedet, se figur 4. Efter de cellulære hovedsektioner i sænkekasserne var støbt, blev tørdokken oversvømmet og sænkekasserne blev flydt ud til dybere vand, kaldet våddokken.
I våddokken fortsatte betonstøbningerne, mens de to sænkekasser sank dybere ned i vandet under den øgede vægt. Da betonarbejdet var færdigt, blev der på toppen af hver sænkekasse installeret to dobbeltvæggede stålcylindre med en diameter på 18m til senere at understøtte ståltårnenes ben. De 23–26m høje stålcylindre skulle desuden sikre en kontrolleret nedsænkning af sænkekasserne til deres endelige position, hvorfor betonen mellem de to cylindervægge først blev støbt efter endelig placering på havbunden.
Parallelt med konstruktionen af selve sænkekasserne blev havbunden ved tårnpositionerne klargjort til installation af sænkekasserne. Ved havbunden består jorden af ”holocæn” leraflejringer ved det europæiske tårn og ”pleistocæne” ler- og sandaflejringer ved det asiatiske tårn, efterfulgt af en ”miocæn” mudstone formation under begge tårne. Havbunden blev i første omgang uddybet til jævnt plateau, hvorefter 2,5m diameter åbne stålpæle blev rammet ned til den bæredygtige ”mudstone”. 203 pæle blev rammet for det europæiske tårn med længder op til 46m og 165 pæle blev rammet på det asiatiske tårn med længder på 21m.
Stålpælene forstærker fundamenternes bæreevne samt reducerer tårnenes sætninger med op til 80%. Yderligere øges fundamenternes horisontale styrke væsentligt i tilfælde af skibsstød eller seismisk påvirkning, se figur 5.
Pælene er dog ikke direkte forbundet med sænkekassen, som det kan ses i figur 6. For at sikre lastoverførsel fra sænkekasse til stålpæle er der placeret en 3m tyk gruspude, hvorpå sænkekassen er placeret. Pæletoppen er yderligere specielt udformet for at kunne overføre disse meget store vertikale kræfter fra gruspuden til pæletværsnittet. Dette arrangement gør det ydermere muligt for tårnet/sænkekassen at glide under et ekstremt stort jordskælv.
Efter placering af gruspuderne på havbunden og færdiggørelse af arbejderne i våddokken, blev sænkekasserne bugseret til den endelige position og sænket ned på havbunden 37m og 45m under vandspejlet på henholdsvis den europæiske og asiatiske side.
Efter placering af sænkekasserne blev de dobbelte stålcylindre fyldt med beton mellem væggene og en 10m høj massiv plint blev støbt ovenpå hvert stålskaft. Plinterne blev indbyrdes forbundet med en præfabrikeret betontværbjælke, således at de to tårnben fungerer som én enhed. Dette er især vigtigt for skibskollisions- og seismiske belastningssituationer.
4.3 Ståltårne
De 318 m høje tårne er bygget i stål, primært for at muliggøre hurtig montage og samtidig forbedre broens egenskaber mod ekstreme jordskælv. Tårnene er opbygget som kasseformede tværsnit med variable sidelængder og affasede hjørner til forbedring af den dynamiske opførsel i vinden. En plan over det ene tårnben kan ses på figur 7 med langsgående flade afstivninger med konstant dimension gennem hele tårnet og tværafstivning per 2,2m – 3,0m.
Tårnene er opdelt i præfabrikerede blokelementer, 32 blokke i alt for hvert tårnben og 3 blokke til hver af de tre tværbjælker. Blokkenes størrelse og vægt er primært drevet af montagemetoden. De første fem meget tunge blokke af hvert tårnben har en højde på op til 11,0 m og en vægt på op til 800 tons. De er designet til effektivt at udnytte kapaciteten af flydekranen, der monterer dem en efter en oven på hinanden.
Horisontalt er de enkelte blokke samlet udvendigt ved svejsning af flangepladerne, mens de indvendige langsgående afstivninger er boltet ved brug af en friktionssamling med laskeplader.
Til montering af blokkene over kote +60m benyttes en stor tårnkran med en løftekapacitet på 160 tons. Dette krævede, at de normale blokelementer blev opdelt i 2 såkaldte paneler, mens der anvendes 4 paneler til special blokke ved tværbjælker og ved dæksniveau. Panelerne er vertikalt forbundet til hinanden med boltede friktionssamlinger i blokkenes hjørner. Denne metode muliggør hurtig montage med mulighed for at montere flere blokke oven på hinanden, inden sammensvejsningen påbegyndes.
For nøjagtigt at undersøge den strukturelle opførsel af de komplekse områder anvendes flere lokale FE-modeller. Der er udført modeller af blandt andet tårnets bund, samlingen til tværbjælkerne samt tårntoppen som vist i figur 9. Der anvendes belastninger og randbetingelser fra den globale IBDAS-model og de lokale effekter undersøges. Tårnene er udført i højstyrkestål S460 og affugtet indvendigt så korrosion forhindres.
Tårnsadlerne er fremstillet i kombineret stål og støbegods, de installeres på toppen af tårnene og sammensvejses, så de virker sammen som en enhed, se figur 10. Sadlen understøtter hovedkablets passage hen over tårntoppene.
4.4 Ankerblokke
Jordbundsforholdene for ankerblokkene er kritiske for at de kan modstå den meget store designkraft på ca. 500MN fra hvert hovedkabel på hængebroen. De øverste jordlag var dog svage på både de europæiske og asiatiske kyster, og den mere kompetente ”miocæne” formation var først til stede på relativt store dybder. Det var derfor en fordel at flytte ankerblokkene længere væk fra kystlinjen, hvor den ”miocæne” formation kommer op til jordoverfladen, se figure 11.
For at kunne placere ankerblokkene på den ”miocæne” formation blev forholdet mellem sidefag og hovedfag øget i forhold til normalt. Ankerblokkene blev derfor flyttet henholdsvis 250m og 350m længere ind på land, se figure 12. Samtidig var det nødvendigt at fastholde hovedkablerne mod vertikale flytninger for enden af hængebroen ved hjælp af specielle ”tie-down” kabler.
Ved hovedkablernes forankringer vil sprede-sadler understøtte og sprede hovedkablet, så de meget høje koncentrerede kræfter på 500MN kan optages ved hjælp af forspændingskabler placeret i ankerblokkens 25m tykke bagvæg.
Både tårnsadler og spredesadler er af afgørende betydning for sikkerheden af hele konstruktionen. Et svigt af en sadel vil resultere i et totalt svigt af broen. Derfor er disse strukturer omhyggeligt designet ved hjælp af avanceret FE-modellering.
4.5 Hovedkabler
Hovedkablerne er fremstillet af præfabrikerede parallelle delkabler (PPWS). Et PPWS-delkabel er opbygget af 127 højstyrketråde hver med en diameter på 5.75mm og en brudspænding på 1960MPa. Hovedkablet består af i alt 144 parallelle delkabler gennemgående mellem ankerblokkene og med 4 ekstra delkabler i hvert sidefag, se figur 13. Det endelige hovedkabel har et samlet tværsnitsareal på 0.48m² og er omviklet med en elastomer membran og affugtet for at sikre lang levetid.
Hængerne, som bærer ståldækket, er også af PPWS type og består af enten 139 eller 151 højstyrke tråde hver med en diameter på 7.0mm. Hængerne er fremstillet på fast længde hver især og kan ikke længdejusteres, se figur 14. De 2 første hængere på hver side af tårnene er dobbelthængere for at tage højde for den øgede belastning i dette område.
Som tidligere nævnt er der for enden af hængebroen monteret specielle lodrette tie-down kabler, som sikrer den lodrette position of hovedkablet. Disse lodrette tie-down kabler består hver især af 4 individuelle forspændte kabler. Tie down kablerne er forspændte for at sikre, at der aldrig kommer slæk i disse kabler.
4.6 Brodæk
Brodækket består af to lukkede stålkassedragere med indvendig afstivning og glatte ydre overflader. Den indbyrdes afstand mellem dragerne er 9,0m og de er forbundet med 3,0m brede tværdragere per 24m. Luftspalten på de 9,0m er resultatet af en række modelforsøg udført i vindtunnel, og spalten har en helt afgørende betydning for sikring af brodækkets aerodynamiske stabilitet i hård vind for denne verdensrekord hængebro, se figur 15 og figur 16.
Den samlede bredde af den dobbelte kassedrager er 45m, mens hovedkablerne har en indbyrdes afstand på 38m. Af figur 16 ses, at de 2 vejbaner for vedligehold er placeret på ydersiden af hængerne for at minimere dækkets vægt samt mindske afstanden mellem hovedkablerne og dermed bredden af ståltårnene. I langsgående retning er hængerne placeret i samme position som tværdragerne med 24m’s afstand. Broen har i alt seks vognbaner, tre i hver retning. Kassedrageren er 3,5m høj og afspejler de teknologiske fremskridt, der for nylig er udviklet og også anvendt på andre broer med meget lang spændvidde.
De to brokasser arbejder kun delvist sammen og kaldes teknisk for et ”vierendeel” dæk. Denne vierendeleffekt har global betydning for dækkets deformationer og forplanter sig videre til også at påvirke tårnenes design. Samvirken mellem tværdrageren og den langsgående brokasse har dermed også medvirket til et behov for lokalt brug af højstyrkestål S550 for at kunne optage de lokale spændingskoncentrationer, der er drevet af broens globale opførsel, hvilket har været verificeret med lokale skalmodeller, se figur 17.
Indvendigt har kassedragerne langsgående trugformet afstivning som bærer lasten lokalt mellem de indsatte fulde tværskot med en indbyrdes afstand på 4,2m. Ved tværdragerne er denne afstand dog mindsket til 3,0m for at passe med kroppladerne i tværdrageren. Udmattelse er dimensionsgivende for dækkets topplade som er 15mm tyk, mens de tilhørende trug er 8mm i det tunge spor og 7mm i de to andre vejbaner. Brodækkets bund- og sideplader er typisk 9 og 10 mm med tilhørende 6mm trug. Dækkets stålkvalitet er generelt stål S355, mens S460 anvendes omkring tårnene og ved broenderne, hvor kræfterne er større. Både kassedragere og tværbjælker er affugtet indvendigt så korrosion forhindres.
Undersiden af den dobbelte kassedrager er placeret i niveau +82,5m midt i hovedfaget, hvilket sikrer et fritrumsprofil for skibstrafik på 70mx1600m. Selve brodækket er verificeret for udmattelse hovedsageligt hidrørende fra trafiklast ved hjælp af en fin skalmodel indbygget direkte i den globale IBDAS-model som vist i figur 18.
