Διερεύνηση επιρροής ανέμου και χαρακτηριστικών παραμέτρων του στον σχεδιασμό τοξωτής μεταλλικής γέφυρας

Κοντώση, Ελένη; Kontosi, Eleni

dc.contributor.author	Κοντώση, Ελένη	el
dc.contributor.author	Kontosi, Eleni	en
dc.date.accessioned	2015-08-27T11:09:56Z
dc.date.available	2015-08-27T11:09:56Z
dc.date.issued	2015-08-27
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41124
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8951
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Γέφυρες	el
dc.subject	Άνεμος	el
dc.subject	Παραμετρική ανάλυση	el
dc.subject	Ταχύτητα	el
dc.subject	Δυναμικά φαινόμενα	el
dc.subject	Bridges	en
dc.subject	Wind	en
dc.subject	Parametric analysis	el
dc.subject	Velocity	el
dc.subject	Dynamic phenomena	el
dc.title	Διερεύνηση επιρροής ανέμου και χαρακτηριστικών παραμέτρων του στον σχεδιασμό τοξωτής μεταλλικής γέφυρας	el
dc.title	Investigation of the Influence of Wind and Its Characteristic Parameters in the Design of a Steel Arch Bridge	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Δομική μηχανική	el
heal.classification	Civil engineering	en
heal.classification	Bridge Engineering	en
heal.classification	Wind Engineering	en
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85026331
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-03-19
heal.abstract	Ένας μελετητής που σχεδιάζει μία γέφυρα και καλείται να υπολογίσει τα φορτία ανέμου που επιδρούν σε αυτή βασίζεται στις διατάξεις του ΕΝ 1991 Μέρος 1-4. Ωστόσο ο κανονισμός αυτός έχει αρκετά μεγάλη πολυπλοκότητα, σημαντικούς περιορισμούς ως προς την εφαρμογή του καθώς και αρκετές απλουστευτικές μεθοδολογίες. Για παράδειγμα, ο κανονισμός αυτός δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε περιπτώσεις τοξωτών γεφυρών αλλά και άλλων γεφυρών που είναι ιδιαιτέρως ευαίσθητες στα φορτία ανέμου. Είναι σημαντική λοιπόν η ανάλυση των παραμέτρων που επηρεάζουν τα φορτία του ανέμου, η κατανόησή τους και η παραμετροποίηση του προβλήματος του υπολογισμού των φορτίων αυτών ώστε να διερευνηθεί η επιρροή της κάθε παραμέτρου ξεχωριστά αλλά και σε συνδυασμό στην απόκριση μιας κατασκευής. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας γίνεται μία αναλυτική εφαρμογή του ΕΝ 1991 Μέρος 1-4 σε μία μεταλλική τοξωτή γέφυρα. Η γέφυρα που μελετάται αποτελείται από δύο αμφιέρειστα ανοίγματα θεωρητικού μήκους 42.00m το καθένα, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με πλάκα συνέχειας. Το θεωρητικό πλάτος του καταστρώματος ισούται με 14.70m. Το κατάστρωμα της γέφυρας είναι σύμμικτο και το κάθε άνοιγμα αποτελείται από δύο κύριες δοκούς και δεκαεφτά διαδοκίδες. Κάθε κύρια δοκός αναρτάται από ένα τόξο με τη χρήση αναρτήρων ενώ τα δύο τόξα του κάθε ανοίγματος συνδέονται μεταξύ τους με εγκάρσια και διαγώνια μέλη δυσκαμψίας. Το ύψος των τόξων είναι ίσο με 10.00m. Οι δοκοί, οι διαδοκίδες, τα τόξα και οι σύνδεσμοι δυσκαμψίας έχουν κατασκευαστεί από δομικό χάλυβα. Το μεσόβαθρο αποτελείται από τη δοκό έδρασης και τρεις στύλους κυκλικής συμπαγούς διατομής από οπλισμένο σκυρόδεμα και έχει ύψος 10m συμπεριλαμβανομένης της δοκού έδρασης. Τα ακρόβαθρα θεωρούνται πολύ δύσκαμπτα σε σχέση με τη γέφυρα και γι’ αυτό θεωρούνται ακλόνητα. Στην παρούσα εργασία γίνεται μία αναλυτική παρουσίαση και επεξήγηση των παραμέτρων του ανέμου και των σχέσεων που προσδιορίζουν τις ταχύτητες, πιέσεις και δυνάμεις λόγω ανέμου και επιλέγονται κατάλληλα οι παράμετροι που είναι απαραίτητες για την ανάλυση. Οι παράμετροι αυτές αφορούν την ταχύτητα του ανέμου, την τραχύτητα του εδάφους, τη μορφή της κοιλάδας, το ύψος του μεσοβάθρου και την επιλογή των διατομών. Επίσης, από τα δυναμικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά της γέφυρας προσδιορίζεται και ο συνδυασμένος δυναμικός συντελεστής της γέφυρας που προσαυξάνει τα φορτία ανέμου προκειμένου να ληφθεί υπόψη το δυναμικά φαινόμενα λόγω του ανέμου. Επίσης, ελέγχεται η απόκριση της γέφυρας και η τήρηση όλων των ορίων ασφαλείας που θέτει ο Ευρωκώδικας 1 στο σύνολό του για όλα τα στατικά (ίδια βάρη, φορτία κυκλοφορίας, θερμικά φορτία και φορτία ανέμου) και δυναμικά (σεισμός) φορτία που δρουν στην γέφυρα. Γενικά παρατηρείται ότι τα μέλη που επηρεάζονται περισσότερο από τα στατικά φορτία ανέμου είναι τα τόξα και οι κύριες δοκοί, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται κάποια υπέρβαση τάσεων. Από τα σεισμικά φορτία επηρεάζονται κυρίως το μεσόβαθρο καθώς και οι οριζόντιοι και διαγώνιοι σύνδεσμοι δυσκαμψίας. Τέλος, στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας διενεργείται παραμετρική ανάλυση, όπου αξιολογούνται οι βασικές παραδοχές και η επιρροή τους στον υπολογισμό των φορτίων και των εντατικών μεγεθών των μελών της γέφυρας. Συγκεκριμένα, στην παραμετρική ανάλυση διερευνάται η επίδραση της βασικής ταχύτητας του ανέμου στα φορτία και την απόκριση της κατασκευής. Επίσης διερευνάται πώς επηρεάζει ο συντελεστής τραχύτητας του εδάφους τα αποτελέσματα διενεργώντας αναλύσεις για κάθε κατηγορία εδάφους, καθώς και πώς επηρεάζει τα φορτία ο συντελεστής αναγλύφου εδάφους επιλέγοντας διαφορετικό ύψος αναφοράς για τη γέφυρα και διαφορετική κλίση της κοιλάδας. Τέλος, γίνεται διερεύνηση του συνδυασμένου δυναμικού συντελεστή για τα φορτία ανέμου και της επίδρασης των γεωμετρικών και δυναμικών χαρακτηριστικών της γέφυρας στον υπολογισμό του. Από την παραμετρική ανάλυση προέκυψε πως η ταχύτητα του ανέμου είναι η βασική παράμετρος που επηρεάζει σημαντικά την απόκριση της κατασκευής, ενώ οι υπόλοιπες παράμετροι μεταβάλουν κυρίως τα φορτία ανέμου και δευτερευόντως την απόκριση της γέφυρας. Συγκεκριμένα, η κατηγορία εδάφους μπορεί να οδηγήσει σε αύξηση έως 55% των φορτίων, ο συντελεστής αναγλύφου εδάφου σε αύξηση έως 16% και ο συνδυασμένος δυναμικός συντελεστής μπορεί να οδηγήσει ακόμη και σε αύξηση 100%. Ωστόσο, επειδή τα φορτία του ανέμου είναι γενικώς μικρά συγκριτικά με τα υπόλοιπα φορτία της γέφυρας οι αυξήσεις αυτές δεν επηρεάζουν σημαντικά την συνολική απόκριση της γέφυρας. Η διπλωματική αυτή εργασία διεξάγεται στα πλαίσια του ερευνητικού προγράμματος EUROSTARS "BridgeCloud" με τίτλο «Αεροδυναμική Ανάλυση βασισμένη σε προσομοίωμα γεφυρών μεγάλου ανοίγματος στο HPC Cloud», το οποίο έχει ως στόχο την ανάπτυξη ενός εικονικού εργαστηρίου σχεδιασμού για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης ανέμου-γέφυρας με ημι-αυτόματη προσομοίωση με τεχνολογία ΒΙΜ που περιλαμβάνει δημιουργία πλέγματος, αριθμητική ανάλυση της αλληλεπίδρασης ανέμου-γέφυρας και τεχνολογία cloud computing, παρέχοντας έτσι μία εύκολη στη χρήση, εκλεπτυσμένη λύση για τον σχεδιασμό γεφυρών από ΜΜΕ.	el
heal.abstract	The calculation of wind loads for the structural design of a bridge is based on the provisions of EN 1991 Part 1-4.. However, this code is quite complex in its application, has significant limitations as well as several simplifications. For example, this code cannot be applied in cases of arch bridges and other bridges that are particularly sensitive to wind loads. It is thus important to analyze the parameters affecting the wind loads and to understand and parameterize the problem of the calculation of these loads in order to investigate the influence of each parameter separately as well as in combination with each other. Part of this thesis is an analytical application of EN 1991 Part 1-4 in a steel arch bridge. The bridge consists of two simply supported spans with theoretical length equal to 42.00m, each. The connection between the two spans is realized by a continuous reinforced concrete slab. The theoretical width of the deck is equal to 14.70m. The composite deck consists of two main beams and seventeen transverse beams. Each main beam is suspended by one arch with the use of hangers. The two arches of each span are interconnected with horizontal and diagonal bracing members. The height of the arches is equal to 10.00m. The main and transverse beams, the arches and the bracing members are made of structural steel. The pier consists of three circular reinforced concrete columns, which are connected at the top with a concrete beam. The abutments are considered as rigid due to their significant stiffness. In the present thesis, the wind parameters which determine the wind velocity, wind pressure and wind forces are presented in detail and explained. The necessary parameters for the analysis are properly chosen. These parameters include the wind velocity, the terrain roughness, the shape of the valley, the height of the pier and the structures’ cross sections. The dynamic and geometric characteristics of the bridge are determined and the structural factor of the bridge regarding wind loads is calculated. The response of the bridge and all safety limits set by Eurocode 1 for all static (self weight, permanent loads, traffic loads, thermal loads and wind loads) and dynamic (seismic) loads acting on the bridge are investigated. It is generally observed that the members most affected by static wind loads are the arches and main beams. Nevertheless, their stresses do not exceed the permissible ones. Seismic loads mainly affect the pier and the transverse and diagonal bracings. Finally, a parametric analysis is conducted in order to investigate the influence of the basic assumptions made in the analysis on the calculation of loads and internal forces of the members of the bridge. Specifically, the parametric analysis refers to the effect of the basic wind velocity on the loads and response of the structure. The effects of the roughness factor on the results are also examined by conducting analyses for each terrain category as well as the effects of the orography factor by selecting different reference levels for the bridge and different slope of the valley. Finally, the influence of the structural factor amplifying the wind loads as well as the effect of the geometric and dynamic characteristics of the bridge are studied. The parametric analysis showed that the parameter that affects mostly the response of the bridge is the wind velocity, while the other parameters used for the calculation of the wind pressures on the structure affect mostly the wind loads and secondarily the response of the bridge. Specifically, the terrain category can lead up to a 55% increase of the wind loads, the orography factor up to a 16% increase and the structural factor can even lead to 100% increase. Due to the small value of the wind loads compared to the other loads applied on the bridge, its response is not affected significantly. This thesis is conducted within the research program EUROSTARS "BridgeCloud" entitled «Model-Based Aeroelastic Analysis of Long-Span Bridges on the HPC Cloud», which aims at developing a bridge-wind interaction virtual design lab that integrates semi-automatic modeling on a BIM basis with mesh generation, numerical wind-bridge interaction analysis and cloud computing power, providing for an easy-to-use sophisticated design tool to bridge design SMEs.	en
heal.advisorName	Γαντές, Χάρης	el
heal.committeeMemberName	Ραυτογιάννης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Θανόπουλος, Παύλος	el
heal.committeeMemberName	Γαντές, Χάρης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	127 σ.
heal.fullTextAvailability	true