Utmattingsbrot er den vanlegaste og mest kritiske årsaka til svikt i byggekonstruksjonar.
I faglitteraturen reknar ein med at rundt 80 prosent av all konstruksjonssvikt kjem av utmattingsbrot. Små sprekkar som oppstår ved gjentekne belastningar, kan med tida vekse seg store nok til å gje fullstendig brot.
I Noreg er Alexander Kielland-ulykka i 1980, der 123 personar omkom, eit eksempel på at utmattingsbrot i konstruksjonar kan få fatale konsekvensar.
Problematikken er like aktuell i maskindelar i bilar, fly og skip, som i store konstruksjonar som bruer, bygg og offshore-plattformer, noko som gjer utmatting til eit høgst aktuelt forskingstema.
– Skal vi både spare materialbruk og sikre tryggleik, må vi forstå korleis slike sprekkar oppstår og utviklar seg, seier Sigbjørn Tveit ved Institutt for bygg- og energiteknikk ved OsloMet.
Han utviklar matematiske modellar som skal kunne vise om, når og kvar utmattingsbrot vil oppstå, med flytande solcelleanlegg som døme.
Flytande solceller i eit røft havmiljø
Flytande solcelleanlegg har blitt ein aktuell måte å produsere straum på, først i rolege innsjøar, og no i aukande grad til havs. Her møter dei langt sterkare krefter frå bølgjer, straum og vind.
Det norske selskapet Sunlit Sea lagar flytande solcellemodular av platekonstruksjonar i aluminium. For å få rett form blir platene kaldforma, pressa og bøygde, før dei vert sette saman til ferdige einingar.
I denne prosessen skjer det mellom anna to ting som kan svekkje konstruksjonen:
- platene blir tynnare nokre stader
- det byggjer seg opp usynlege restspenningar i metallet
Restspenningane kjem i tillegg til dei vanlege belastningane som konstruksjonen må tole på grunn av bølgjer og havstraumar.
Datamodellar ser det vi ikkje kan måle
Restspenningar og tynning er vanskeleg å måle direkte. I staden brukar forskarane numeriske utrekningsprogram, avanserte datamodellar som «prøvebelastar» konstruksjonane på skjermen.
Først simulerer dei sjølve formingsprosessen av metallplatene, og finn kor materialet blir tynnast og mest oppspent. Deretter let dei digitale bølgjer og vind påverke same konstruksjon over lang tid.
Slik får dei eit estimat av kva slags spenningar metallet faktisk blir utsett for, og peikepinn på kvar utmattingsbrot mest sannsynleg kjem til å starte.
For å klare dette nyttar Tveit ein type utmattingsmodell som ser på belastningane som ein samanhengande tidsserie, i staden for å dele dei inn i distinkte, repeterande syklusar. Det passar betre for dei kaotiske bølgjeforholda som solcellepanela er utsett for.
Resultata av forskinga vert nytta i utviklinga av flytande solpanel som skal tole tøffe forhold til havs. Foto: Mischa Keijser/NTB
Kan nyttast på fleire typar metall
Rammeverket for utmattingsmodellering vart utvikla av ei forskingsgruppe ved Lunds Universitet i Sverige, med Niels Saabye Ottosen i spissen. I utgangspunktet var modellen tilpassa vanleg konstruksjonsstål, men i samarbeid med kollegaar på OsloMet og i Lund har Tveit vidareutvikla modellen til å fungere for fleire metalltypar, også 3D-printa komponentar.
3D-printa metall kan ha små gassbobler og andre feil som gjer materialet er meir sårbart for sprekkdanning. Her kan dei nye modellane bidra til å finne ut korleis slike komponentar bør utformast for å tole belastningar over tid.
Tryggare og meir berekraftige konstruksjonar
For industrien handlar dette både om tryggleik og økonomi. Lengre levetid og færre skadar tyder mindre vedlikehald og mindre materialbruk.
– Vi brukar resultata aktivt i utviklinga av flytande solpanel som skal tole tøffe forhold til havs, seier Per Lindberg, administrerande direktør i Sunlit Sea AS.
Sjølv om Tveit forskar på flytande solcelleanlegg, kan metodane overførast til andre marine konstruksjonar, som havvind og offshore-plattformer.
– Problemet med utmatting gjeld alle konstruksjonar som blir utsette for gjentekne belastningar. Målet vårt er å bidra til meir robuste og pålitelege løysingar, seier Tveit.
Biletet øvst i artikkelen viser den Alexander Kielland-plattformen som kantra i 1980. Foto: Finn Eirik Strømberg/NTB.
Referanse
Sigbjørn Tveit: “Forming and Fatigue in Floating Photovoltaic Structures: Approach Based on Continuum Mechanics”. OsloMet avhandling 2025, nr. 35.
