Foto Colourbox

Ny forskning kan gøre broer lettere og mere klimavenlige

onsdag 03 jun 20

Kontakt

Kontakt

Niels Aage
Lektor
DTU Mekanik
45 25 42 53

Kontakt

Ole Sigmund
Professor
DTU Mekanik
45 25 42 56

PRACE

Beregningerne til topologioptimeringen er udført på en af Partnership for Advanced Computing in Europe, PRACE’s supercomputere.

Se Artikel i Nature Communications

 

Fonde

  • The COWI Foundation: 450.000 DKK
  • The Innovation Fund: 668.518 DKK
  • COWI's Bridges International department: 205.000 DKK

Et netop afsluttet forskningsprojekt afslører et potentiale for at kunne reducere materialeforbruget til brodækket på en hængebro med mere end en fjerdedel. Det svarer til en besparelse på op til 30 procent af CO2-udledningen.

Designet af de nuværende brodæk på hængebroer, som vi i Danmark bedst kender fra Storebæltsforbindelsen, har ikke ændret sig grundlæggende gennem de sidste 60 år. For at imødekomme ønsket om at kunne bygge stadig længere broer har DTU og COWI sammen forsket i, hvordan man kan optimere konstruktionerne, så særligt vægten af brodækket kan mindskes, og spændet dermed øges. Resultaterne af dette forskningsprojekt er netop publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Communications og peger på store potentialer.

”Vi anvendte forskellige metoder til at undersøge, hvordan materialerne, der primært består af stål og beton, kunne udnyttes bedre. Indledningsvis har vi forsøgt at optimere anvendelsen i de traditionelle konstruktioner med tværskot i brodækket og kunne derigennem opnå en teoretisk vægtbesparelse på op til 14 procent,” siger Mads Jacob Baandrup, der har gennemført analyserne i forbindelse med sit ph.d.-projekt og i dag arbejder som ingeniør i COWI’s broafdeling.

Nyt krumt design gør forskellen
For at opnå yderligere besparelser inddrog forskerne muligheden for at ændre designet af konstruktionerne. Det skete ved at anvende topologioptimering, en metode, der bl.a. kendes fra bil- og flyindustrien, men ikke tidligere har været brugt til store bygningskonstruktioner.

”Populært sagt handler det om at ’tømme’ en brodrager for dens eksisterende elementer, så der er fuldstændig frihed til et nyt design. Brodragerens indre volumen inddeles herefter i en struktur af meget små voxels (3D-pixels), ligesom små terninger. Topologioptimeringsmetoden bruges så til at bestemme, om hver enkelt voxel skal bestå af luft eller stålmateriale. Resultatet er et design af brodrageren, der anvender mindst muligt stålmateriale uden at forringe styrken i konstruktionen,” siger lektor Niels Aage, DTU Mekanik, der er en af verdens førende forskere i storskalaoptimering og overordnet ansvarlig for projektets analyser.

Helt konkret blev et broelement på 30 x 5 x 75 meter analyseret, inddelt i 2 mia. voxels på bare et par centimeter hver. Det resulterede i en utrolig omfattende beregning på en supercomputer, der ville have taget en almindelig computer 155 år at udføre. Det er den største strukturelle optimering, der er gennemført til dato.

Økonomisk interessant løsning
Computerberegningerne gav forslag til, hvordan designrummet i brodækket bedst kunne opbygges. Det indebar bl.a. at krumme en del af de nuværende rette tværskot, hvorved det bliver muligt at spare 28 procent af de materialer, der anvendes til brodækkene, og dermed reducere CO2-udledningen tilsvarende fra produktion og transport af beton og stål.

”Vi har fortolket og tilpasset beregningerne, så resultatet er blevet et bud på en konstruktion af brodrageren med det mest optimale design, som kan udføres uden at kræve omkostningstunge fremstillingsmetoder. Det økonomiske aspekt er vigtigt for at gøre det realistisk at anvende designet ved fremtidige brobyggerier,” siger Mads Jacob Baandrup.

"Vi ser store perspektiver i fremover at anvende topologioptimering til at sikre et bæredygtigt design af andre store bygningskonstruktioner som eksempelvis højhuse, stadioner eller motorvejsbroer. "
Ole Sigmund, professor DTU Mekanik

Værdifuld viden til fremtidens hængebroer
Selvom det naturligvis er nødvendigt med yderligere analyser, før der bygges broer med det nye design, er COWI ikke i tvivl om, at resultaterne af forskningsprojektet tilføjer værdifuld viden til fremtidens hængebroer. 

”Det nye design af brodragere kan omsættes til en vægt og CO-reduktion på op til 20-25 procent for hele broen, hvilket naturligvis er en gevinst for klimaet. Samtidig er COWI involveret i en lang række af verdens største broprojekter, og derfor vil et potentielt nyt design også komme vores kunder og samfundet til gavn fremover,” siger teknisk direktør Henrik Polk, COWI, der har deltaget i forskningsarbejdet.

Også på DTU er der stor tilfredshed med resultatet.

”Vi ser store perspektiver i fremover at anvende topologioptimering til at sikre et bæredygtigt design af andre store bygningskonstruktioner som eksempelvis højhuse, stadioner eller motorvejsbroer. Det vil vi forske mere i, og da byggebranchen står for 39 procent af verdens samlede CO2-udledning, kan næsten enhver reduktion være interessant,” siger professor Ole Sigmund, DTU Mekanik.

 

Den tyrkiske Osman Gazi-hængebro ses i baggrunden, og topologioptimeringsresultatet øverst til højre. Det organiske udseende og yderst komplekse resultat af optimeringen er efterfølgende fortolket, hvilket har ført til et nyt mere simpelt design (markeret med rødt). Sammenlignet med det konventionelle design (markeret med blåt) resulterer det nye design i vægtbesparelser på over 28 procent for brodrageren. De hvide pile indikerer designprocessens forløb.

 

Relaterede Videoer  

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

video thumbnail image

Vis flere

Nyheder og filtrering

Få besked om fremtidige nyheder, der matcher din filtrering.