NO20130114A1 - Flytebro - Google Patents

Abstract

Det omtales en konstruksjon av en flyte bro med en kjørebane for å spenne i en bueform over en fjord eller et sund fjord mellom to land-festepunkter omfattende et antall flytere som bærer kjørebanen som igjen bæres av en stort sett horisontal forløpende brobjelke mellom land-festepunktene, og flytebroen omfatter en høybro seksjon for passasje av skip, og den er kjennetegnet ved at brobjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover flytebrospennet, en høybroseksjon omfattende en buebro som spenner over en skipspassasje som skip kan passere under, at veibanen forløper over på en oppad skrånende viaduktbjelke frem mot høybroseksjonen idet viaduktbjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover en del av flytebrospennet, og at et antall forankringsliner er festet i flytebroen og forløper ut fra begge sider av flytebroen til respektive fester i fjell og eller havbunn.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en konstruksjon av en flytebro med en kjørebane for å spenne i en bueform over en fjord eller et sund fjord mellom to land-festepunkter omfattende et antall flytere som bærer kjørebanen som igjen bæres av en stort sett horisontal forløpende brobjelke mellom land-festepunktene, og flytebroen omfatter en høybro seksjon for passasje av skip slik det er angitt i innledningen i det etterfølgende krav 1.

Den foreliggende oppfinnelse tar man sikte på å brembringe en flytebro med horisontalt forløpende brobjelke og en skrått forløpende viaduktbjelke som under-støtter en transportbane for trafikk, og flytebroen er forbundet i to festepunkter, idet brobjelken understøttes og inngår i et antall buebroer hvis hver ende hviler på en tilhørende flyter henover flytebrospennet.

Nærmere bestemt har oppfinnelsen befatning med en flytebro som skal kunne installeres over brede fjorder og operere i værharde strøk med store bølger og havdønninger, og at den eventuelt kan kombineres med skipspassasje.

Med flytebro mener man en konstruksjon som kan påmonteres veier for person-og kjøretrafikk, flerfelts kjørebaner og eventuelt også toglinjer med skinnegang oppe på, og eventuelt også inne i, en brobjelke i stål, slik at flytebroens brobjelke er mest mulig stabil og får begrensede strukturelle spenninger, selv i større bølger og dønninger, også når det er stor trafikk på flytebroen.

Flytebroen ifølge oppfinnelsen er innrettet til å spennes over fjorder og sund hvor vanndypet kan være fra ca. 5 meter til ca 2000 meter vanndyp. Flytebroen ifølge oppfinnelsen er tiltenkt å anvendes både for vanlig veitrafikk og tog.

Tidligere kjent teknikk.

Kryssing av fjorder, sund og sjøer med broer har vært en utfordring i uminnelige tider. Forskjellige typer broer er utviklet avhengig av spenn, fundamenterings-muligheter og seilingshøyder, og det skal refereres til patentpublikasjonene US-1852338, SE-458850, NO-113404 og GB-2135637. Flytebroer som spenne over lange avstander over fjorder eller sjøer, har vært kjent i lang tid og er i dag i drift flere steder i verden. Slike kan være et kostnadseffektivt og sikkert alternativ.

Kjente flytebroer har til nå kun vært installert i svært skjermede farvann for å unngå uønsket dynamikk i flytebroen som kan opptre som følge av respons på store, innkommende bølger. Det er spesielt langperiodiske bølger i form av havdøn-ninger som gir ugunstige spenningskonsentrasjoner i en flytebro, mens mer kortkammede bølger som er generert av lokal vind, er mindre problematiske.

Flytebroer består av et antall flytere som understøtter en veibane og/eller gangvei, og er forankret ved land i begge ender. Noen flytebroer forankres desuten sideveis på begge sider, der forankringssystemene er dimensjonert for å oppta miljøkreftene fra bølger, vind, strøm og tidevannsforskjeller.

Miljøkreftene på en flytebro er betydelige særlig under stormer der strøm, vind og bølger kan komme sideveis og fra samme retning. I tillegg har en tidevannskrefter ved varierende vannstand som flo og fjære. Flytebroer utsettes derfor for bøyekrefter nær land. De må derfor utformes slik at slike miljøpåvirkninger minimaliseres.

Flyterne til en flytebro utformes fortrinnsvis i betong eller i stål og hovedfunksjonen er å understøtte veibanen og sikre flytebroens stabilitet. Flyterne er plassert med en beregnet innbyrdes avstand for å sikre nødvendig oppdrift og stabilitet, der samtidig påvirkningen fra miljøkreftene minimaliseres.

Et eksempel på en flytebro som er bygget og tilpasset skjermede farvann Nord-hordlandsbrua i Norge som kun er forankret ved de to landfestene. Broen er med sine 1246 meter veibane Europa's lengste flytebro. Passasje for skipstrafikken er for denne broen løst ved at det i tillegg er bygget en tradisjonell, bunnfast høgbro nær land med seilingshøyde på 32 meter og seilingsbredde på ca 50 meter.

På Nordhordlandsbroen har veibanen en bredde på ca 16 meter. Flyterne er utformet som lektere og bygget i betong, der dimensjonen i bredde retn i ngen av veibanen er lik 40,0 meter og i lengderetning av veibanen er lik 20,5 meter. Den frie avstanden mellom disse flyterne er på ca. 110 meter. Ved at flyterne ligger med den lengste siden på tvers av veibanen, minimaliseres strømkreftene og overflatevann strømmer omtrent uhindret under og mellom flyterne. Denne konstruksjonen gir en stabil og god løsning for skjermede farvann hvor det kun er små vindinduserte bølger, men er ikke egnet for mer åpne havområder hvor det tidvis kan opptre store bølger (havdønninger) med lange bølgeperioder.

En flytebro med skipspassasje er beskrevet i norsk patentsøknad 2010 1273, hvor skip kan passere på forutbestemte steder i flytebroen. Den viser en skrånende viadukt som understøtter veibanen inntil en passende og ønske høyde over vannflaten. Viaduktbjelken er vist understøttet av vertikale søyler som står relativt nær hverandre, på samme måte som på Nordhordlandsbroen.

Et formål med oppfinnelsen å frembringe en ny konstruksjon for flytebroer som kan plasseres i værharde strøk der de strukturelle spenninger i flytebroen blir minst mulig som følge av havmiljøkrefter som påvirker broen, samtidig som flytebroen kan omfatte en til høyereliggende veibane av en høgbro som tillater skipspassasje og flytebroen anordnes med en viaduktbjelke som understøtter en del av veibanen over en undre horisontal brobjelke, slik at trafikken kan ledes fra en veibane på flytebroens brobjelke, oppad viaduktbjelken og over skipspassasjens høgbro. I løsningen kan skipspassasjekonstruksjonen være enten flytende eller fundamentert på fast grunn.

I det påfølgende er det vist til de 3 geometriske retninger, der X-retning er definert kjørebanens retning, Y-retning er på tvers av kjørebanen, og Z-retning til å være vertikalt i forhold til det kjørebanens horisontalplan. Man tar sikte på at flytebroen forankres med forankringsliner i Y-retning av flytebroen, til havbunn eller land, slik at brobjelken danner en bue i horisontalplanet og holdes i bueformen samtidig som den holdes i strukturelt strekk ut av buen ved hjelp av et antall ankerliner.

Flytebroens bevegelser er en direkte funksjon av flyternes respons på innkommende bølger i de 6 kjente frihetsgrader. De strukturelle spenningene i flytebroen er en funksjon av flyternes bevegelsesrespons, av brobjelkens utforming og opphenging, samt den individuelle avstanden mellom flyterne.

Halvt nedsenkbare rigger (engelsk: «semi-subs») har bred anvendelse offshore som lete- og produksjonsrigger og disse kan oppta store miljølaster. De er stabi- lisert med søyler med begrenset vannlinjeareal, og er spesielt velegnet i værharde strøk, ofte i kombinasjon med spredt forankring, fordi de har lav dynamisk respons på store bølger som treffer denne strukturen. Utformingen med søyler gjør også at miljøkreftenes påvirkning er tilnærmet lik fra alle værretninger. Slike semisubs - konstruksjoner er velegnet i den foreliggende sammenheng.

I tillegg er det fra offshore industrien kjent teknikker med bruk av en-søyle konstruksjoner, gjerne kalt SPAR-bøyer, som gir relativt liten dynamisk respons i store dønninger.

En flytebro kan med denne type teknikker utformes med konstruktive løsninger slik at flyternes dynamiske respons fra bølger minimaliseres samtidig som de strukturelle spenningene i flytebroens strukturer blir akseptable.

Værstatistikk samlet over mange år angir dominerende og sannsynlige retninger for miljøkreftene vind, bølger og strøm. Ved planlegging av utformingen og orienteringen av en flytebro, utnyttes denne informasjonen. Med store bølger menes i denne sammenheng bølger med høyde på typisk 10-14 meter under en 100-års storm, dvs. en signifikant bølgehøyde Hs= 6 til 8 meter og med en bølgeperiode, Tz, på for eksempel opp mot Tz=16 sekunder eller mer. Denne type bølger opptrer typisk i ytre, delvis skjermede, havstrøk langs kysten (norske-kysten), der de største bølgene brytes lengre ute, mens dønninger med redusert bølgehøyde slår lengre innover ofte varer i flere dager etter en storm. I slike områder er det samtidig flere bebodde øyer som ønsker fastlandsforbindelse, men der avstandene over streder og fjorder er for lange til at tradisjonelle, bunnfaste broer kan bygges.

Lange dønninger kan også opptre i kystområder i mildere farvann, som grenser opp til for eksempel Atlanterhavet og til Stillehavet. En del av disse områdene er også utsatt for tropisk sykloner, som kan gi 100-års bølger i samme størrelses-orden som nevnt ovenfor.

Med flytebroelementer menes i denne sammenheng de moduler og elementer som flytebroen er satt sammen av, som typisk kan omfatte flytere, veibane, støtte-søyler, viadukt, viaduktbjelker, brobjelker, støttesøyler, større søylestrukturer for montasje av en høybro for skipspassasje.

Formål med oppfinnelsen.

Det er et formål med oppfinnelsen å frembringe en flytebro som kan minimalisere uønskede spenningskonsentrasjoner som følge av bølgeinduserte flyterbeveg-elser, og som senker de maksimale strukturelle spenningene i broens forkjellige flytebroelementer selv under påvirkning fra de største forventede bølger i broens levetid, og videre at flytebroens utmattingsegenskaper tilfredsstiller etablerte sikkerhetskrav og marginer.

Samtidig er det et formål å utforme flyterne slik at de beveger seg minst mulig i de i de forskjellige frihetsgrader, selv i ekstreme bølger nevnt over.

Det er også et formål med oppfinnelsen at de strukturelle spenninger i brobjelken blir forutsigbare ved at brobjelken holdes i strukturelt strekk under drift uansett værforhold uten at brobjelkens strukturelle styrke overskrides, noe som oppnås ved at flytebroen i horisontalplanet har en forhåndsberegnet og utformet bueform og samtidig er forankret i havbunnen eller til land via et antall liner som er strammet opp, der forankringslinene forløper stort sett i Y-retning på tvers av veibanen.

Det er dessuten et formål med oppfinnelsen at flytebroelementene utformes med en geometri som gjør at de lett kan prefabrikkeres og bygges i tradisjonelle verk-steder eller verft med skipsdokker, fortrinnsvis i stål eller i betong og at installasjon og oppkobling av broelementene kan gjøres på kostnadseffektiv måte.

Det er også et formål med oppfinnelsen at flytebroen om ønskelig kan tilknyttes anordninger som er konstruert for passering av skip, slik som høybro ved land eller en flytende høgbro.

Oppfinnelsen.

Flytebroen ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved

at brobjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover flytebrospennet,

en høybroseksjon omfattende en buebro som spenner over en skipspassasje som skip kan passere under,

at veibanen forløper over på en oppad skrånende viaduktbjelke frem mot høybroseksjonen idet

viaduktbjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover en del av flytebrospennet, og

at et antall forankringsliner er festet i flytebroen og forløper ut fra begge sider av flytebroen til respektive fester i fjell og eller havbunn.

Fortrinnsvis er viaduktbjelken er opphengt i et antall av buebroene, via vertikale og/eller skråstilte stag.

Ifølge en foretrukket utførelse, er brobjelken tilkoplet viaduktbjelken via vertikale og/eller skråstilte stag. Ifølge enda en foretrukket utførelse hviler hver buebro sine ender på en tilhørende flyter, og to innbyrdes tilstøtende buebroender hviler på en tilhørende felles flyter.

Ifølge enda en foretrukket utførelse passerer den horisontalt forøpende brobjelken skipspassasjen i form av i en undervanns-seksjon som danner et vertikalt eller skrått forløp under vannflaten så å forløpe på et passende vanndyp i et bueformet eller flatt horisontalt forløp og på skrått løp oppigjen på den andre siden, hvor den igjen fortsetter oppå flyterne videre mot land, for således å utgjøre et kontinuerlig styrkeopptagende element for flytebroen mellom de to landfestene.

Ifølge enda en foretrukket utførelse har ankerlinene ut fra buen (dens konvekse side) en høyere etablert forspenning enn ankerlinene inne i buen (den konkave siden), slik at hele brobanen holdes i strekk i en tilnærmet krum bueform.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er brobjelken sammensatt av et antall rette eller buede brobjelke-elementer, og de er opplagret på toppen av en tilhørende flyter.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er høybroseksjonen for skipspassasje en flytende eller en bunnfast konstruksjon.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er avstanden mellom tilstøtende flytere i flytebroen er i størrelsesorden 200 til 400 meter.

Ifølge enda en foretrukket utførelse omfatter den et antall høybroseksjoner for skipspassasje.

Ifølge enda en foretrukket utførelse forløper veibanen på en viaduktbjelke fra hver side på skrå oppad i skipspassasjens buebro og over skipspassasje.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er flyterne utformet fortrinnsvis som søylestrukturer med et passende antall søyler, særlig i form av stående søyler/kamre hver montert inn hjørnene i en mangekantet (så som åttekantet, sekskantet, kvadratisk eller rektangulær) konstruksjon i et horisontalplan, for å gi minst mulig dynamisk respons på innkommende bølger.

Det er også foretrukket at de seksjoner/lengder av en viaduktbjelke som i sitt forløp løper utenfor/over buebroene, understøttes av hviler på vertikale stilte søyler som står på en tilhørende flyter eller understøttes/hviler på oversiden av buen til en tilhørende buebro.

Fortrinnsvis holdes linestrekket 60 innover fra den konkave front av buen i en størrelsesorden på ca 50-60% av det tilsvarende strekket utover fra den konvekse siden.

Ifølge en foretrukket utførelse etableres et forsepnningslinestrekkt på 500 tonn på hver av forspenningslinene utover fra den konvekse (rygg) siden og et forspenningstrekk i størrelsesorden 250 - 300 tonn på hver av sikringslinene innover fra den konkave (buk) siden i buen, idet strekket i linene justeres under underveis når flytebroen er tatt i bruk

Generelle betraktninger og forhold ved fl<y>tebroer

Utforming av denne type strukturer er kjent teknikk fra offshore industrien, og dynamiske respons til flyteren varierer avhengig av bølgelengden. En dynamisk respons faktor for flyterne beregnes og angis gjerne som RAO (Eng: «Response Amplitude Operator). Flyterne kan eksempelvis utformes med en RAO = 0,2 for vertikale hivbevegelser (i Z-retning) for bølger med en periode på ca. 16 sekunder. For denne type lange dønninger med eksempelvis 100 års maksimum bølge-høyde = 12 meter blir flyterens dynamiske vertikale hiv-respons dermed maksimum 12 m x 0,2 = 2,4 meter. I tillegg har denne type søylekonstruksjoner liten respons på bølger i alle de 6 frihetsgrader, dvs. både med hensyn til rotasjon rundt hhv X, Y og Z aksene og med hensyn til lineære bevegelser langs de samme akser.

Flyterne kan typisk bestå av 4 søyler, hver med en diameter på 25 meter, og ha totalt ytre dimensjoner i horisontalplanet på 80 x 80 meter og et dypgående på 40 meter samtidig som det er en fri seilingshøyde under brobjelken på 8 - 10 meter. Dersom flyterne må ha større oppdriftsvolum økes antall søyler til eks. 6-8 søyler, noe som også gir øket stabilitet også i installasjons- og driftsfasen. Det er også mulig å anvende kun en søyle, men dette regnes som en kostbar løsning som krever nokså stor dypgang for å gi lav RAO - verdi.

Flyterne utformes i tillegg etter kjente teknikker for å ivareta sikkerhetskrav til skipskollisjoner og skadestabilitet, og med vanntette skott og ballastsystemer for å møte nødvendige sikkerhetskrav.

Flytesøylene kan etter behov gis forskjellig utforming i horisontalplanet, for eksempel sylindriske, firkantet, firkantet med noen kurvede sider, eller lignende Flyterne, brobjelken, flytebroelementene for øvrig og veibanen kan utformes og dimensjoneres etter kjente prinsipper. Det er gjort beregninger for en flytebro med 4 kjørebaner, en vegbredde på ca. 30 meter og en total lengde på ca 3,5 km, i et område med 100-årsbølge med signifikant bølgehøyde på Hs=5,8 meter og en tilsvarende periode Tz=14sekunder. Det ble funnet at flytere med fire søyler vil ha en egenperiode i rull og hiv på over 20 sekunder

For å unngå at bevegelser fra en flyter overføres via brobjelken til naboflyterne, vil det ifølge oppfinnelsen være ønskelig at den innbyrdes avstanden mellom flyteren er minimum 200 meter for middels eksponerte områder. Dersom det forventes store og lange bølger, bør den innbyrdes avstanden økes ytterligere, gjerne til 400 meter.

Flyternes søyler ifølge oppfinnelsen plasseres på yttersidene av brobjelken fortrinnsvis symmetrisk langs brobjelkens midtlinje, slik at flytebroen får best mulig hydrostatiske og hydrodynamiske egenskaper.

Flytebroen forløper ifølge oppfinnelsen i en horisontal bue over vann til to festepunkter, enten i land eller til andre konstruksjoner, og kan ha en lengde på 2-10 km. Flytebroen utformes slik at kreftene fra strukturelle vekter, havmiljø og trafikk opptas gjennom flytebroens brobjelke og videreføres til festepunktene og til forankringsliner.

Brobjelken holdes ifølge oppfinnelsen i tilnærmet konstant høyde over vannflaten mellom festepunktene ved at den delvis understøttes direkte oppe på flyterne og delvis er opphengt i stag fra fra et antall buebroer som også er understøttet oppe på flyterne.

Utenfor viadukten understøttes veibanen direkte oppe på brobjelken eller integreres inne i denne. På viadukten understøttes på samme måte veibanen av en viaduktbjelke, eller integreres i denne, der veibanen forløper på skrå fra brobjelken og oppad til høyereliggende fortsettelse av veibanen, som fortrinnsvis er en skipspassasje-struktur utformet som en høybro.

En andel av viaduktbjelken er ifølge oppfinnelsen opphengt i en rekke øvre stag som er innfestet buene i en del av buebroene. Resten av viaduktbjelken, som befinner seg på utsiden av buen (den konvekse siden) kan understøttes etter kjente teknikker av søyler som hviler på den ytre siden buen.

Under viaduktbjelken er brobjelken ifølge oppfinnelsen opphengt i et antall vertikale eller skråstilte nedre stag som er innfestet i viaduktbjelken, slik at brobjelken også i denne del av flytebroen opprettholder den ønskede avstand over vannflaten.

Stagene inne i buebroen som holder oppe viaduktbjelken og brobjelken kan etter ønske være enten vertikale eller skrå. For de øvres stagene som holder oppe viaduktbjelken ansees det som fordelaktig at stagen står på skrå, slik at de etter kjente teknikker anvendes for nettverksbue-broer, fordi erfaring har vist at nettverksbuebroer har lav vekt samtidig som de gir en god stivhet.

Skipspassasjestrukturen kan enten være bunnfast eller bestå av en flytende skipspassasje. Brobjelken er ifølge oppfinnelsen etter kjente teknikker strukturelt koblet til skipspassasjestrukturen, for eksempel ved sveising eller mekaniske koblinger. Strukturen som understøtter veibanen over den foreslåtte skipspassasjen er også etter kjente teknikker koblet til viaduktbjelken slik at det dannes kontinuitet i veibanen.

Veibanen kan etter ønske legges oppe på brobjelken og viaduktbjelken eller inne i disse bjelkene. Dersom flytebroen skal utformes også for toglinjer, foretrekkes det å legge veibanen opp på disse bjelkene, mens toglinjene installeres inne i bjelkeboksene.

Siden flytebroens kan bli flere kilometer lang, bør den holdes i posisjon ved hjelp av side-forankring. Brobjelken må holdes i strekk og for å unngå kompresjon, uansett driftsforhold. Samtidig er det viktig at brobjelken ved sterke stormer ikke utsettes for krefter som overstiger kapasiteten i brobjelkens struktur, og at den kollapser.

Flytebroen utsettes for varierende krefter fra trafikk og værkrefter (vind - Strøm). Disse variable kreftene ledes inn i den horisontale brobjelken og derfra både inn i festepunktene og inn i ankerlinene. For å sikre forutsigbar kraftoverføring holdes flytebroen i spenn i en horisontal bue ved hjelp av et antall forspente ankerliner.

Dette oppnås ved at ankerlinene forløper ut (og nedad) på begge sider av flytebroen slik at at ankerlinene som har retning ut av buen på buens konvekse side (ryggsiden) («forspenningslinene»), har en høyere forspenning enn ankerlinene inne i buen (buksiden) («sikringslinene»), på buens konkave side.

Buen i flytebroen orienteres fortrinnsvis slik at sterke stormer får retning mot buens konkave side. Under ekstreme værforhold økes strekket i flytebroens brobjelke som inngår i buen, noe som medfører at forspenningen i forspenningslinene på buens konvekse side reduseres. Samtidig øker strekket og spenningene i sikringslinene på flytebroens konkave side, noe som ifølge oppfinnelsen er hensikten fordi sikringslinene dermed vil bidra til å redusere belastningen på flytebroens brobjelke.

Forspenningslinene bidrar til at brobjelken alltid er i strekk og unngår kompresjon med påfølgende muligheter for knekning, mens sikringslinene skal bidra til at brobjelken under sterke stormer ikke overbelastes.

Flytebroens brobjelke konstrueres i stål og en oppnår dermed at brobjelkens ståltversnitt utnyttes i strekk, noe som er svært fordelaktig strukturelt. Fortrinnsvis innfestes alle ankerlinene direkte i flyterne slik de etterfølgende figurer 2, 5 og 6 og tilhørende tekst.

Flyterne vil ha dynamisk respons på innkommende bølger i de 6 frihetsgrader, hvorav 3 er vinkelbevegelser rundt de tre aksene X, Y og Z og de 3 andre er lineære bevegelser langs de samme tre akser. Denne dynamiske respons vil for-plante seg inn i brobjelken fra flyterne. Beregninger har vist at de største kreftene og ugunstige spenningskonsentrasjoner oppstår i brobjelken når flyterne induserer: a) Rotasjon av brobjelken rundt X-aksen (rull og vridning langs kjørebanen)

b) Vertikale laster rett over flyteren i Z -retning (hiv lokalt over flyterne)

c) Horisontale bevegelser av flyterne i Y-retning (horisontal knekking)

Kreftene som oppstår i brobjelken som følge av bevegelse av flyterne må distri-bueres fra området ved flyterne til resten av brobjelken slik at store uønskede lokale spenninger i brobjelken unngås. Beregninger har vist at store spenninger lettest oppstår i brobjelken rett over flyterne dersom flyterne er montert altfor nær hverandre. Det har vist seg at spenningene spesielt kan oppstå i ekstreme stormer, slik som 100 års storm, og det vil være et krav at flytebroen må overleve også denne typer ekstreme belastninger.

Ved store bølger med lange bølgeperioder opp mot 12-14 sekunder, har beregninger vist at flyterne bør ha en innbyrdes avstand på minst 200 meter. Dersom flytebroen installeres i områder der med muligheter for ekstremvær som gir enda lengre bølgeperioder, opp mot 16-18 sekunder bør den innbyrdes avstanden mellom flyterne være opp mot 400 meter for å redusere ekstreme belastninger på brobjelken.

Ved å øke den innbyrdes avstanden mellom flyterne sammenliknet med kjente flytebroer, så reduseres vinkelutslag og rotasjon på brobjelken som følge av den økte avstanden, noe som derved også reduserer spenninger i brobjelken. Dette er årsaken til man ifølge oppfinnelsen benytter buebroer for sikre at brobjelken bevarer sin horisontale forløp under alle driftsformer.

Ved å anvende stagene i buebroene til å understøtte brobjelken, så oppnår en ifølge oppfinnelsen å kunne holde brobjelken slank og relativt fleksibel, selv om avstanden mellom flyterne er 300-400 meter. Den innbyrdes avstanden mellom flyterne sikrer dermed at brobjelkens innebygde elastisitet hindrer at bevegelser fra en flyter i Y og Z frihetsgradene sprer seg til naboflyterne. Ved samtidig å holde brobjelken i strekk så vil dynamiske krefter i X-retningen oppstå som varierende strekk-krefter brobjelken noe som gjør at brobjelken kan dimensjoneres etter forutsigbare og kjente teknikker. Det er ifølge oppfinnelsen viktig at brobjelken aldri får kompresjon i X-retningen som følge av bevegelser av flyterne forårsaket av store varialble miljøkrefter. Dermed kan de strukturelle spenningene i brobjelken lettere fordeles over hele brobjelken på en forutsigbar og beregnbar måte.

Foretrukne utførelser av oppfinnelsen.

Viauktstrukturen som forløper fra brobjelken og opp til toppen av skipspassasjestrukturen bør ha en helling på maksimum 5-7%. Dersom flytebroen tilpasses jernbanelinjer bør ikke hellingen av viaduktbjelken overskride 4%.

Veibanene plasseres fortrinnsvis oppe på brobjelken. Ved behov (trafikkgrunnlag) kan veibanene dimensjoneres for 2 - 6 filer. Eventuelle toglinjer plasseres med fordel inne i brobjelken og inne i viaduktbjelken.

Dersom anordningen ifølge oppfinnelsen anvendes på en flytende skipspassasje, så vil det være mulig å benytte tilsvarende løsning på den andre siden av den flytende skipspassasjen.

Den innbyrdes avstand mellom ankerflyterne 20, både innenfor vidukten og utenfor viadukten tilpasses bølgeforholdene på stedet. Dersom det tidvis oppstår ekstremvær som gir store bølger med bølgperioder opp mot 18 sekunder bør den innbyrdes avstanden mellom flyterne være ca 400 meter. En øket avstand mellom flyterne ifølge oppfinnelsen sammenliknet med tradisjonelle flytebroer er fordelaktig for flytebroens dynamiske egenskaper. De fleste flytebroer som ligger i skjermet farvann har en flyter-avstand på mellom 30 meter til 115 meter. Når avstanden mellom flyterne økes på denne må også oppdriftskapasiteten til flyterne økes for å kompensere for øket last på hver flyter.

Brobjelken holdes i en horisontal bue ved hjelp av forspenningsliner som forløper på buens konkave side der forspenningslinene er innfestet i flyterne. Det foretrekkes å anvende flere forspenningsliner på hver av flyterne, slik at liner enkelt kan byttes ut og at det er reservekapasitet ved eventuelle linebrudd.

I tillegg anvendes det et antall sikringsliner som forløper ut fra brolinjen på buens konvekse side der sikringslinene er innfestet i flyterne, og som forspennes med en strekkraft som er lavere enn den strekkraft som anvendes for forspenningslinene. Det er fordelaktig å anvende flere sikringsliner på hver av flyterne, slik at liner enkelt kan byttes ut og at det er reservekapasitet ved eventuelle linebrudd.

Det foretrekkes at linestrekket 60 innover fra den konkave front av buen (som kan virke komprimerende på bueelementene) holdes i en størrelsesorden på ca 50-60% av det tilsvarende strekket utover fra den konvekse siden.

Ifølge et praktisk eksempel kan man opprette et linestrekk på typisk 500 tonn forspenning på hver av forspenningslinene utover fra den konvekse (rygg) siden og et forspenningstrekk på 250 - 300 tonn på hver av sikringslinene innover fra den konkave (buk) i buen. Strekket i linene justeres under forhold hvor det er rolige stille værforhld, idet slike strekk kan etterreguleres underveis når flytebroen er tatt i bruk.

På spesielt dypt vann er det fordelaktig å anvende et antall stramme forankringsliner i kunststoff, så som polyetylen, kevlar, etc. Disse har den fordel at de veier lite og er sterke, er rimelige og er kjent fra bruk på dypt vann og gir liten horisontal forskyvning. På grunnere vann kan det være gunstig å benytte stål-wire forankringsliner. Ankrene festes i fjell eller havbunn etter velkjente teknikker.

En fordel med foreliggende oppfinnelse er at samtlige buebroer, både innenfor viadukten og utenfor, kan prefabrikeres og installeres tilnærmet komplett oppe på de forhåndsinstallerte og forankrede flyterne, uten bruk av flytekraner Dette kan eksempelvis gjøres ved at hver av buebroene fabrikeres ferdig på eller nær land, hvorpå de overføres etter kjente teknikker til et antall lektere som så transportere buebroen til installasjonsstedet, hvorpå de enkelte buebroene installeres ved å ballastere flyterne og transportlekterne.

Seilingshøyden under brobjelken og dermed under veibanen kan varieres etter behov, men vil typisk være fra 5-15 meter. Dersom det forventes høye bølger, bør seilingshøyden under buebroen være minimum 10 meter. Brobjelken vil forløpe hovedsakelig parallelt med vannflaten, men kan varieres noe dersom det er ønske om øket seilingshøyde enkelt steder langs flytebroen.

Det er også mulig å øke antall kjørebaner på flytebroen, for eksempel til 6 eller 8. Dessuten kan kjørebanene anordnes i to nivåer eller etasjer, ett nivå for hver kjøreretning.

Anordningen ifølge oppfinnelsen skal forklares nærmere i den etterfølgende beskrivelse under henvisning til de medfølgende figurer, hvori: Figur 1 viser et vertikalsriss av en flytebro 10 med tilhørende kjørebane som spenner over en fjord eller et sund mellom to landfester, med et antall flytere som brobærende elementer, og broen omfatter en konstruksjon som muliggjør at skip kan passere boren på tvers. Flytebroen er hovedsakelig sammensatt av et antall på rekke sammenkoplede buebroer, og hvor to innbyrdes tilstøtende buebroender fortrinnsvis hviler på en tilhørende felles flyter. Figur 2 viser et horisontalriss av flytebroen med sitt bueformete spenn på sjøen og brobjelken som understøttes på flyterne. Videre viser figuren at flytebroen er forankret med ankringslinertil hver side hovedsakelig på tvers. Figur 3 viser et forstørret utsnitt fra figur 1, hvordan veibanen går over fra et forløp på brobjelken på skrå oppad på en viaduktbjelke for å danne en høybroseksjon over nevnte skipspassasjen hvor skip kan passere. Figur 4 viser enda et forstørret tverriss fra figur 3 av skipspassasjen og den tilstøtende buebro. Figur 5 viser et horisontalsnitt av flytebroen og viser hvordan den i et horisontalplan danner en bueform, og hvor brobjelken henover hviler på et antall flytere. Figur 6 viser en av flyterne i perspektiv med en overliggende seksjon av en brobjelke 30.

Like deler av de tegnede detaljer er gitt samme henvisningstall på de ulike figurer.

Figurene viser en flytebro 10 som spenner over en fjord eller sund mellom to landfester 11 hhv 13. Flytebroen er satt sammen av et antall flytere (flottører) 20 på rekke med innbyrdes avstand henover brolengden. På flyterne hviler en brobjelke 30 stort sett horisontalt fra hver ende av flytebroen og frem til en skipspassasje-konstruksjon 50 som er innsatt i flytebroen, og hvorfra brobjelken 30 skråner nedad under vann og oppad igjen og videre på den andre siden.

Mellom to tilstøtende flytere 20 er det montert en buebro 40 idet to innbyrdes tilstøtende buebroender fortrinnsvis hviler på en tilhørende felles flyter 20. På kjent måte er det til disse bueformene montert vertikale og/eller eller skråstilte stag 42 hvis nedre ender er festet i og bærer brobjelken 30, på hver side av denne. Buebroene holder, via stagene 30 brobjelken i ønsket horisontal forløp uten nedbøy selv med relativt lange spenn mellom to tilstøtende flytere 20. Brobjelken 30 bærer så en veibane 32 for fremføring av trafikken over flytebroen.

Fra et gitt punkt i konstruksjonen forløper en veibanebærende viaduktbjelke eller styrkeboksform 35 på skrå oppad frem mot skips-passasjekonstruksjonen 40 og forløper som en bueformet eller flat høybrodel 36 over selve skipspassasjen. Herfra kan veibanen/viadukten forløpe flatt eller i ulike vinkler videre alt etter det videre løpet som kan være direkte inn på land i nevnte høyde, eller inn i en tunnel i fjell. Dvs. for den situasjonen hvor skipspassasjen er beliggende helt inntil land. Konstruksjonen for denne skipspassasjen kan være en flyter, eller den kan stå bunnfast på sjøbunnen.

Dersom skipspassasjen er beliggende for eksempel midt i flytebroen eller et stykke ut fra en landside, er det selvsagt utformet slike skrå-konstruksjoner med viaduktbjelke fra begge sider av høybrodelen, for å passere veibanen over skipspassasjen 40. Med henvisning til figur 3 framgår at viaduktbjelken starter sitt skråforløp ved buebroen 40a helt til høyre og passerer så gjennom ytterligere to av buebroene 40b og 40c før den når fram til buebroen 40d som spenner over skipspassasjen. Man ser at viaduktbjelken forløper høyt opp i buebroen. En foretrukket hellningsvinkel er i størrelsesorden 5-7%. For jernbanelinjer bør ikke hellningen være over 4%.

Også viaduktbjelken 35 er opphengt i stag 42 som rager nedad fra buebroen 40. Som figur 4 viser er stagene 42 koplet til viaduktbroen 40 og holder denne hengende i konstruksjonen som lignende hengebro. Videre forløper ytterligere stag 46 mellom viaduktbjelken 35 og den underliggende brobjelken 30. Disse er vist parallelle på figurene men kan selvsagt omfatte skråstag. Dette betyr at buebroene bærer hele vekten av viaduktbjelken 35, og de bidrar til å holde brobjelken 30 stort sett horisontalt også i spennet mellom flyterne 20 når det er lange spenn mellom flyterne, slik man jo tilsikter med foreliggende oppfinnelse.

Figurene viser et skip 33 som passerer på tvers under viaduktbjelken idet vannlinjen er vist ved 12.

Kjørebanen 32 er anordnet oppå brobjelken 30 og forløper videre på viaduktbjelken fra 35 fra den ene brosiden og over nevnte passasje 32 og ned igjen på den andre brosiden.

Et vesentlig trekk ved oppfinnelsen er at den viadukbjelke-seksjonen som forløper på utsiden/oversiden av bueformen, understøttes og hviler på et antall pilarer 70, idet noen av disse står direkte på flyterens 20 overside, mens en del av de andre som er utenfor flyterens rekkevidde, hviler på utsiden/oversiden av buebro-konstruksjonen.

Flytebroen 10 danner en bue i et horisontalplan slik det framgår av figur 2, og holdes i strekk med et antall forspenningsliner 60 som forløper ut fra flyterne 20 i buen (ut av buens konkave side(ryggsiden)) og et antall sikringsliner 61 som forløper ut fra flyterne 20 i buen (ut fra buens konvekse side) og er innfestet i sjøbunnen 106 eller i tilstøtende fjellsider. Sikringslinene er fortrinnsvis vaiere, kjettinglenker og lignende. For øvrig monteres flytebroen slik at dens konkave bukside vender mot den dominerende værretning D, slik det er antydet på figur 2 og 5 og med pilene merket D. Dette siden de elementene som broen er sammensatt av, tåler strekkrefter bedre enn kompresjon. Trykkrefter på slike bueformete konstruksjoner kan ha skadelig innvirkning.

På figur 5 vises det to slike linesett som forløper ut fra hver flyter. Forspenningslinene 60,61 strammes opp slik at det det blir strekk i brobjelken ut av buen, mens sikringslinene 61 strammes opp med en lavere kraft enn forspenningslinene 60, og vil i driftsfasen primært bidra til at brobjelken ikke overbelastes ved sterke stormer som har retning inn i buen (mot buens konvekse side). I installasjons- og byggefasen vil både både sikringslinene 61 og forspenningslinene 60 fungere for midlertidig posisjonering av flyterne. I tillegg fungerer ankringslinene 60, 61 til å sikre restene av flytebroen dersom flytebroen blir påkjørt av og brobjelken 30 kollapser.

Flytebroen 10 ifølge eksempelet på figur 1 omfatter åtte buebroer 40 som på rekke hviler på flytere 20 hvorav tre av buebroene 40a,b,c (figur 3) nærmest skipspassasjen 50 har en oppad skrånende viaduktbjelke 35 med øvre kjørebane 32 som er opphengt i buebroene 36 ved hjelp av øvre stag 42 og en brobjelke 30 som videre er opphengt i viaduktbjelken ved hjelp av nedre stag 46. I eksempelet er de øvre stag 34 vist som kryssende skråstag, mens de nedre stag 46 er vist som vertikale stag. Valg av vinkel for stagene kan etter kjente teknikker tilpasses de stedelige behov.

Flyterne 20 har en utforming som gir minst mulige bevegelser i bølger og som dermed induserer lavest mulig spenningsvariasjoner og spenningskonsentrasjoner i brobjelken 30. For områder med store havbølger og lange dønninger kan flyterne 20, slik det er vist på figur 6, omfatte et antall (en eller flere) vertikalstilte søyler 22 med lavt vannlinjeareal V, for eksempel fire stående tankformetee flytesøyler, en søyle i hvert hjørne i en firkantet/kvadratisk konstruksjon og holdes sammen med tilhørende stag 66. Flyter-søylene omfatter slanke sirkelrunde tverrsnittformer slik at vannlinjearealet holdes så lavt som mulig for å gi lav dynamisk respons på havbølger. Med vannlinjeareal menes arealet av det søyle-tverrsnitt som ligger i samme plan som vannlinjen V rundt søylen.

Som figur 6 viser understøttes brobjelkene 30 av flyterne 20 med faste eller fleksible koblinger på toppen av øvre tverrstag 66 som binder sammen søylene 22 i konstruksjonen. Brobjelken 30 i denne utførelsen hviler på staget i to adskilte understøttelser 60 på hvert respektive av de to innbyrdes parallelle øvre stagene 66. Brounderstøttelsene 60 kan være utformet som relativt stive søyler eller stag, eventuelt plater av gummi, slik at brobjelken kan beveges seg noen grad mot flyteren 22. I denne konstruksjonen dannes borens bueform av at tilsttøende seksjoner er avvinklet slikt figur 6 viser. For øvrig er en av buebroenes 40 opplagring på flyteren vist helt skjematisk, samt hvordan skråstagene 42 forløper nedad fra buen 40 og er festet på hver side av brobjelken 30. Som det framgår av de andre figurene 1 -3 forløper brobjelkene kontinuerlig i sitt løp over hver flyter 20, og integrert i buebroens endefeste til flyteren 20. Hver flyter kan ha en mangekantet fasong (så som åttekantet, sekskantet, firkantet, dvs. kvadratisk eller rektangulær) i horisontalsnitt, idet en søyle eller tank er montert i hvert hjørne. Flyteren kan også ha et rundt eller ovalt tverrsnitt. De endene av flytertankene som vender mot værkreftene kan være spisset som en baug for å redusere strømpåvirkningen fra sjøen.

Brobjelken innfestes i festepunktene i land eller i skipspassasjen ved hjelp av kjente teknikker.

Brobjelken også kan få sin bueform ved å la hele brobjelken være bueforment, men fortrinnsvis er brobjelken rettlinjet mellom flyterne og kobles sammen i en vinkel a, f.eks 1 - 3 grader per kobling slik figur 6 viser. Med flere vinklede koblinger vil dette bygge opp en bueform satt sammen av en rekke individuelle rette brobjelker linjer. Bueformen kan således dannes av rette seksjoner av brobjelken 30 som sammenkobles eller sveises i en gitt vinkel rett over flyterne. Dette er byggeteknisk enklest, og utføres ved at to brobjelke-elementer 30a hv 30b som møtes oppå en flyter 20 kobles sammen eller sveises sammen i en den gitte vinkel a mellom de to rette brobjelken-elementene.

Brobjelkens bue har fortrinnsvis en bøyeradius som tilsvarer den totale lengden på buebroen, avhengig av de lokale forhold og broens lengde. Hver brobjelke 30 kan også fabrikeres med nevnte bueform.

Med uttrykket brobjelke som bærer veibanen, menes en fagverksramme av rette og skråstilte stag (H-bjelker for eksempel), eller utformet med en kasseform av en vernehud mot vær og vind, slik det er velkjent. Brobjelken 30 er innrettet for å oppta strekk og trykkrefter i brokonstruksjonen. Som det framgår særlig av figur 4 forløper brobjelken 30 i et skråløp 30a ned under vannflaten 12 for så å forløpe på et passende vanndyp i et bueformet eller flatt horisontalt forløp 30b og på skrått løp 30c oppigjen på den andre siden, hvor den igjen fortsetter opp flyterne 20 videre mot land. Brobjelkens dimensjoner beregnes ut fra antatte beregnede bevegelser av flyterne og påvirking strøm, vind og trafikkdata. Undervannsdelen 30,a,b,c av brobjelken 30 kan også være en ren fagverkskonstruksjon slik figur 3 særlig viser.

Med den beskrevne konstruksjonen der brobjelken som hviler på flyterne også er er opphengt i en buebro, kan man ha innbyrdes avstand mellom to tilstøtende flyterne 20 på opptil 400 meter. Fordelen med slike lange flyteravstander er at bevegelser i alle plan av en flyter opptas av brobjelke/buebro konstruksjonene og vil ikke påvirke den nærmeste flyteren (på begge sider).

En flytebro 10 ifølge oppfinnelsen er spesielt godt egnet for lange brospenn mellom festepunktene, gjerne med lengder på 10 til 20 km. Slike lange fjordspenn er oftekarakterisert vedat de er nær åpent hav, med tilsvarende fare for døn-ninger og store bølger. En flytebro ifølge oppfinnelsen vil ha gode bevegelses-egenskaper og gi små spenninger i brobjelken, noe som er en forutsetning for denne type lange brospenn.

Konklusjon.

Den foreliggende brokonstruksjon er utgjør en helt ny og unik sammenstilling av i og for seg tidligere kjente konstruksjonstrekk for flytebroer.

En særlig stor fordel med oppfinnelsen er at siden hver flyter i rekken er forbundet med en overspennende buebro som bærer en viaduktbjelke og holder en brobjelke stort sett horisontal i spennet, kan man opprette lenger avstand mellom flyterne enn det som har vært mulg tidligere.

Et hovedpunkt med løsningen er at flytebroen 15 kan installeres i relativt åpne kyststrøk og ha et langt samlet brospenn, gjerne mer enn 10-20 km og hele flytebroen kan setter sammen av store prefabrikerte deler, slik som komplette buebroer og flytere. Samtidig kan flytebroen kombineres med forskjellige typer seilingsleder for skip, spesielt faste eller flytende høybroer.

Claims (15)

1. Konstruksjon av en flytebro med en kjørebane for å spenne i en bueform over en fjord eller et sund fjord mellom to land-festepunkter omfattende et antall flytere som bærer kjørebanen som igjen bæres av en stort sett horisontal forløpende brobjelke mellom land-festepunktene, og flytebroen omfatter en høybro seksjon for passasje av skip,karakterisert ved at brobjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover flytebrospennet, en høybroseksjon omfattende en buebro som spenner over en skipspassasje som skip kan passere under, at veibanen forløper over på en oppad skrånende viaduktbjelke frem mot høybroseksjonen idet viaduktbjelken er tilknyttet et antall buebroer som bæres av flyterne henover en del av flytebrospennet, og at et antall forankringsliner er festet i flytebroen og forløper ut fra begge sider av flytebroen til respektive fester i fjell og eller havbunn.

2. Flytebro i samsvar med krav 1,karakterisert vedat viaduktbjelken (35) er opphengt i et antall av buebroene, via vertikale og/eller skråstilte stag (42).

3. Flytebro i samsvar med krav 1-2,karakterisert vedat brobjelken er tilknyttet viaduktbjelken (35) via vertikale og/eller skråstilte stag (46).

4. Flytebro i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat hver buebro sine ender hviler på en tilhørende flyter, og to innbyrdes tilstøtende buebroender hviler på en tilhørende felles flyter (20).

5. Flytebro i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat den horisontalt forøpende brobjelken (30) passerer skipspassasjen i form av i en undervanns-seksjon som danner et vertikalt eller skrått forløp 30a ned under vannflaten 12 for så å forløpe på et passende vanndyp i et bueformet eller flatt horisontalt forløp 30b og på skrått løp 30c oppigjen på den andre siden, hvor den igjen fortsetter oppå flyterne 20 videre mot land, for således å utgjøre et kontinuerlig styrkeopptagende element for flytebroen mellom de to landfestene.

6. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat ankerlinene ut fra buen (dens konvekse side) har en høyere etablert forspenning enn ankerlinene inne i buen (den konkave siden), slik at hele brobanen holdes i strekk i en tilnærmet krum bueform.

7. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat brobjelken er sammensatt av et antall rette eller buede brobjelke-elementer, og de er opplagret på toppen av en tilhørende flyter.

8. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat høybroseksjonen for skipspassasje er en flytende eller en bunnfast konstruksjon.

9. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat avstanden mellom tilstøtende flytere i flytebroen er i størrelsesorden 200 til 400 meter.

10. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat den omfatter et antall høybroseksjoner for skipspassasje.

11. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat veibanen forløper på en viaduktbjelke fra hver side på skrå oppad i skipspassasjens buebro og over skipspassasje.

12. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat flyterne er utformet fortrinnsvis som søylestrukturer med et passende antall søyler/kamre hver montert stående i hjørnene i en mangekantet (så som åttekantet, sekskantet, kvadratisk eller rektangulær) flyterkonstruksjon i et horisontalplan, for å gi minst mulig dynamisk respons på innkommende bølger.

13. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat de seksjoner/lengder av en viaduktbjelke som i sitt forløp forløper utenfor/over buebroene (40), understøttes av hviler på vertikale stilte søyler (70) som står på en tilhørende flyter (20) eller understøttes/hviler på oversiden av buen til en tilhørende buebro.

14. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat linestrekket 60 innover fra den konkave front av buen holdes i en størrelsesorden på ca 50-60% av det tilsvarende strekket utover fra den konvekse siden.

15. Flytebro i samsvar med et av de foregående kravkarakterisert vedat det etableres et forsepnningslinestrekkt på 500 tonn på hver av forspenningslinene (61) utover fra den konvekse (rygg) siden og et forspenningstrekk i størrelsesorden 250 - 300 tonn på hver av sikringslinene innover fra den konkave (buk) i buen, idet strekket i linene (60,61) justeres underveis når flytebroen er tatt i bruk.