Analytical study of long floating pontoon bridges subject to tidal variations

Abstract

Statens vegvesen jobber med å bygge en ferjefri forbindelse mellom Kristiansand og Trondheim. En av de mest utfordrende fjordkryssingene er Bjørnafjorden. Fire forskjellige løsninger har blitt presentert; tre buede- og en rett bro. I denne oppgaven sammenlignes to forskjellige brodesign ved hjelp av Matlab, med hovedfokus på momentfordelinger og nedbøyninger under tidevannsvariasjoner. En tredje, enkel generisk bro, undersøkes for å validere resultatene mot en SAP2000-modell. Flytende pontongbroer er en effektiv måte å krysse områder med dyp havbunn og dårlige grunnforhold. Imidlertid, i motsetning til konvensjonell brodesign, er en flytebro i større grad utsatt for belastning fra tidevann, fordi de ikke er forankret vertikalt. Fullstendige beregninger og design av en flytebro er ekstremt kompleks. Dynamiske belastninger, opplagerbetingelser, egenvekt og egenfrekvens analyse, må vurderes for å beregne det optimale brodesignet numerisk. Avanserte programmer basert på matematiske modeller blir benyttet til å utføre disse beregningene. Disse modellene må videreutvikles for å imøtekomme kravene til lengre flytebroer, ifølge Statens vegvesen. Denne oppgaven benytter en analytisk tilnærming, ved hjelp av trigonometriske funksjoner. Dette kutter ned ressursene som kreves ved beregning av krefter og deformasjoner i forskjellige brodesign som er påkjent tidevannsvariasjoner. Det er funnet at lange flytende pontongbroer er mindre utsatt for tidevannsvariasjoner enn korte. De ytterste pongtongene får større tvangskrefter og nedbøyninger. Resultatene viser at ved å endre referanse på tidevannshøyden, kan det maksimale momentet reduseres betydelig, uten å gå på bekostning av brukervennligheten.

The Norwegian Public Roads Administration is developing a ferry free connection between Kristiansand and Trondheim. One of the more challenging fjord crossings is the Bjørnafjord. Four different bridge designs have been proposed for the crossing, three curved and one straight [44]. In this thesis two different bridge designs are compared using Matlab (MathWorks, R2020b), with the main focus being on moment distributions and deflection induced by tidal variations. A third simpler generic bridge is examined to validate the results against a SAP2000 (Computers & Structures, 2021) model. Constructing floating pontoon bridges is an effective way to cross deep water bodies with poor seabed conditions. However, unlike conventional bridge designs, a floating bridge is far more subject to tidal loads as it is not vertically restrained. Complete calculation and design of a floating bridge is extremely complex. Dynamic loads, support conditions, self weight and eigenfrequency analysis, all have to be considered in order to numerically calculate the optimal bridge design. Advanced programs, based on mathematical models, are utilized to make these calculations. These models have to be further developed to meet the demands of longer floating bridges according to the Norwegian Public Roads Administration[1]. This thesis presents an analytical approach, using trigonometric trial functions. This has the advantage of computational efficiency in evaluating the forces and deformations of various floating pontoon bridge designs subject to tidal variations. It is found that long floating pontoon bridges are less subject to tidal variations than shorter bridges. The outermost pontoons have increased restraint forces and deflections. The results show that by changing the reference tidal height it is possible to reduce the outlier maximum moment by a significant amount without compromising on serviceability.