For å dekke etterspørselen etter enda lengre broer, har Danmarks tekniske universitet (DTU) og Cowi studert hvordan man kan redusere vekten på brodekket ved å optimalisere strukturene, og dermed kunne øke spennet. Resultatene av dette forskningsprosjektet som nylig ble publisert i det anerkjente vitenskapelige tidsskriftet Nature Communications, indikerer at potensialet er enormt.
– Vi brukte ulike metoder til å undersøke hvordan man best kan utnytte materialene som primært består av stål og betong. Først prøvde vi å optimalisere bruken i tradisjonelle strukturer ved å bruke tverrskott i brodekket til å oppnå en teoretisk vektreduksjon på opptil 14 prosent, sier Mads Jacob Baandrup som gjennomførte analysene i forbindelse med sitt doktorgradsprosjekt, og som i dag jobber som ingeniør i Cowis broavdeling.
Ny buet design utgjør forskjellen
I håp om å oppnå flere besparelser undersøkte forskerne muligheten for å endre den strukturelle utformingen. Det ble gjort ved hjelp av topologioptimalisering, en metode som var kjent fra bil- og flyindustrien men som ikke hadde blitt brukt tidligere i storskala bygningskonstruksjoner.
– Enkelt sagt handler det om å fjerne alle eksisterende elementer fra bærebjelken for å få full frihet til å velge en ny utforming. Det innvendige volumet av bjelken blir da delt opp i en struktur med svært små voxler (3D-piksler), som små terninger. Deretter brukes topologioptimalisering til å vurdere hver enkelt voxel og bestemme om de skal bestå av luft eller stål. Resultatet er en brobjelkedesign som bruker minst mulig stål uten å miste den strukturelle styrken, sier førsteamanuensis ved DTUs institutt for mekanisk teknologi Niels Aage, en av verdens ledende forskere innen storskala optimalisering og den som hadde ansvar for prosjektanalysene. Spesifikt ble et broelement på 30 x 5 x 75 meter analysert og inndelt i to milliarder voxler på maksimalt et par centimeter hver, og deretter ble en superdatamaskin brukt til å kjøre en svært omfattende beregning. En vanlig datamaskin ville ha brukt 155 år på å utføre disse beregningene. Det er den største strukturelle optimaliseringen som noen gang har blitt gjennomført.
En CO2-besparende og økonomisk intressant løsning
Resultatene av databeregningene ble brukt til å finne ut hvordan man best kunne strukturere utformingen av brodekket. Det innebar blant annet at noen av tverrskottene som nå var rette, ble bøyd for slik å fjerne 28 prosent av materialet som tidligere ville blitt brukt i brodekkene. Dermed oppnås en tilsvarende reduksjon av CO2-utslipp generert under produksjon og transport av betong og stål.
– Vi justerte beregningene for å sikre en optimal utforming av strukturen i brobjelkene, som kan gjennomføres uten for kostbare produksjonsmetoder. Det økonomiske aspektet er viktig for at utformingen skal bli et realistisk alternativ ved fremtidige broprosjekter, sier Mads Jacob Baandrup. kan gi en vekt- og CO2-reduksjon på opptil 20 prosent for hele broen, noe som selvfølgelig er fordelaktig for klimaet. Siden COWI også er involvert i mange av verdens største broprosjekter, vil en mulig ny utforming også være fordelaktig for kundene våre og samfunnet, sier teknisk direktør i Cowi Henrik Polk som deltok i forskningsprosjektet.
Nyttig kunnskap for morgendagens hengebroer
Det må naturligvis gjennomføres flere analyser før den nye utformingen kan brukes til å bygge broer, men Cowi føler seg trygge på at forskningsprosjektet vil resultere i verdifull kunnskap for morgendagens hengebroer. – Den nye utformingen av brobjelker
DTU er også svært fornøyd med resultatene
– Vi tror det kan gi enorme perspektiver å bruke topologioptimalisering til å sikre en bærekraftig utforming av andre store bygningsstrukturer, for eksempel skyskrapere, stadioner eller motorveibroer. Vi ønsker å gå dypere inn i det feltet, og siden bygningsindustrien står for 39 prosent av de globale CO2-utslippene, kan nesten enhver reduksjon være interessant, sier professor Ole Sigmund ved DTUs institutt for mekanisk teknologi.
Bærekraftig potensial
– Dette viser hvor stort potensialet er for å bygge mer bærekraftige broer, sier Jesper Asferg, divisjonsdirektør for Transport og byutvikling i Cowi. Han tror de nordiske landene har et godt utgangspunkt for å sette standarden for fremtidens bærekraftige brobygging.
– Norden ligger langt fremme på utviklingsskalaen, miljøfokuset høyt og konsensusen er sterk. Dette er særlig tydelig i Norge: Bærekraft står høyt på agendaen hos norske oppdragsgivere og entreprenører og vi ser at flere også vektlegger CO2-utslipp høyt i noen av tildelingene sine. Det er en mulighet for oss å ha dette i hjemmemarkedet vårt, sier Asferg. Selv om det danske forskningsprosjektet ser på stålbrudekker, tror han særlig at materialbesparelser i betongkonstruksjoner kan bety mye for miljøet. Betongproduksjon står for rundt 3 prosent av CO2-utslippene i Norge, og 5 prosent av utslippene på verdensbasis.
– Vi skal være ærlig om at en stor konstruksjon har et stort klimaavtrykk. Betong er det mest utbredte byggematerialet i brusektoren. Mye vil handle om produktoptimalisering og effektiv materialbruk. Når vi klarer å bygge ved å bruke mindre betong, i kombinasjon med alternative og kortreiste materialer, så hjelper vi klima reelt. Asferg forteller at Cowi og samarbeidspartnere nå er i gang med et lignende forskningsprosjekt som ser på de samme mulighetene for materialbesparelser i betongbroer. Han tror forskning og utvikling vil være helt avgjørende når klimafotavtrykket til byggenæringen skal reduseres.
– Vi ønsker å ta dette inn i våre prosjekter, men da må man først endre regelverk. Det er et nasjonalt anliggende. Vi skal bidra til at det blir evidensbasert. Eurocode blir laget i samspill mellom flere land. Gjennom deltakelse i normutvalg kan man flytte grensene, sier Asferg.
FAKTA
Beregningene av topologioptimaliseringen
ble utført på en PRACE superdatamaskin
(Partnership for Advanced Computing in
Europe).
Forfattere:
Mads Jacob Baandrup, COWI, DTU
Ole Sigmund, DTU
Henrik Polk, COWI
Niels Aage, DTU
