Assessment of the dynamic response of the Bergsøysund Bridge in the frequency domain

141 Pages·2013·9.86 MB·English

by  Knut Andreas Kvåle

Assessment of the dynamic response of
the Bergsøysund Bridge in the frequency
domain
Knut Andreas Kvåle
Master of Science in Mechanical Engineering
Submission date: June 2013
Supervisor: Ole Andre Øiseth, KT
Norwegian University of Science and Technology
Department of Structural Engineering

MASTER THESIS 2013
Subject area: Date: No. of pages:
Structural Dynamics 10.06.13 139 (22+81+36)
Title:
Assessment of the dynamic response of the Bergsøysund Bridge
in the frequency domain
Dynamisk analyse av Bergsøysundbrua i frekvensplanet
By:
Knut Andreas Kv˚ale
Responsible teacher: Associate Professor Ole Øiseth
Supervisor(s): Associate Professor Ole Øiseth
Carried out at: Department of Structural Engineering

Institutt for konstruksjonsteknikk
FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI
NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet

MASTEROPPGAVE 2013
for
Knut Andreas Kvåle

Dynamisk analyse av Bergsøysundbrua i frekvensplanet
Assessment of the dynamic response of the Bergsøysund Bridge in the
frequency domain

I forbindelse med prosjektet ferjefri E39 skal Bergsøysundbrua instrumenteres for å
kartlegge nøyaktigheten til de metodene som benyttes til å beregne dynamisk respons av
slike konstruksjoner utsatt for naturlaster. Denne oppgaven dreier seg om å utvikle et
program i Matlab som beregner den dynamiske responsen av flytebruer i frekvensplanet.

Oppgaven bør inneholde følgende temaer:
• Beregning av hydrodynamisk bølgelastlast, masse, demping og stivhet i DNV
programmet Wadam.
• Hente svingeformer og konstruksjonsegenskaper i fra Abaqus.
• Beregne systemets egenfrekvenser, svingeformer og dempingsforhold i Matlab.
• Beregne den dynamiske responsen til systemet i Matlab.

Besvarelsen organiseres i henhold til gjeldende retningslinjer.
Veileder(e): Ole Andre Øiseth
Besvarelsen skal leveres til Institutt for konstruksjonsteknikk innen 10. juni 2013.
NTNU, 14. januar, 2013

Ole Andre Øiseth
faglærer

Sammendrag
Statens vegvesen planlegger og bygger ny E39 langs den fjordkledde norske vestkysten. I
den forbindelse er det viktig med verktøy som kan beregne dynamisk respons av flytende
konstruksjonerutsattforstokastiskbølgelast. Dennetypenproblemstillingerkanløsesb˚ade
i tidsplanet og frekvensplanet. For˚a etablere tidsplansløsninger m˚a tidsavhengige laster
genereres. Disse genereres gjennom Monte Carlo-simuleringer basert p˚a den stokastiske
bølgelasten. Deretter m˚a lange, og mange, tidsserier beregnes for˚a til slutt f˚a konfidens i
resultatet. P˚a grunn av dette, er det ofte vel s˚a gunstig med frekvensplansløsninger av
lineære, stokastiske problemer. Nøyaktigheten til veletablerte metoder for beregning av
stokastisk respons i frekvensplanet ble undersøkt. Et Matlab-program til beregning av
flytende konstruksjoner utsatt for stokastisk bølgelast ble utviklet, hvor DNV HydroD
Wadam-analyseravdeflytendeelementeneogenAbaqus/CAE-modellavkonstruksjonen
antas gitt. Ved hjelp av tilstandsromsrepresentasjon av systemet, og iterasjon, ble ogs˚a
det komplekse og ikke-lineære egenverdiproblemet til systemet løst. Resultatene stemmer
bra overens med resultater fra tilsvarende beregninger utført i tidsplanet. 20 svingemoder
ble vurdert som tilstrekkelig p˚a Bergsøysundbrua, med tanke p˚a konvergens, n˚ar lasten
var definert som hvit støy. Med estimert bølgelastspekter var det nødvendig med omtrent
30 svingemoder for konvergert løsning. Funnene støtter troverdigheten til metodene som
er brukt, og indikerer tilfredsstillende nøyaktighet p˚a de anvendte metodene.

Abstract
TheNorwegianPublicRoadsAdministrationiscurrentlybothplanningandbuildinganew
coastal highway, along the fjord-dense Norwegian west coast. In that concern, dynamic
response of floating structures exposed to wave loads is of high importance. This kind of
problem can be solved in the frequency or the time domain. In time domain analyses, the
stochastic load must be estimated using Monte Carlo simulations, and long time series run
to find confident results for the stochastic response. For linear problems, calculations in
the frequency domain are therefore often favourable. The accuracy of the well-established
linear frequency domain methods was studied, for stochastic problems, in this thesis. In
particular, the Bersøysund Bridge was considered. A program was developed in Matlab
forcalculationsofstructuresonfloatingelements,whereDNV HydroD Wadamanalyses
of the floating elements and an Abaqus/CAE model of the frame of the structure are
prerequisites. Using state space form and iteration, the complex and non-linear modal
eigenvalue problem of the system was also solved. The findings of this thesis involve that
the results agree well with similar analyses performed in the time domain. 20 modes
resulted in near-converged results for the model of the Bergsøysund Bridge exposed to
white noise loading. When estimated sea load was enforced, approximately 30 included
modes were needed for convergence. The findings supported the credibility of the methods
used, and indicated adequate accuracy.