Αξιολόγηση της σεισμικής απόκρισης και διερεύνηση εναλλακτικού σχεδιασμού σιδηροδρομικής γέφυρας με χρήση του λογισμικού OpenSees

Παπαδάκη, Ελίνα-Μαργαρίτα; Papadaki, Elina-Margarita

dc.contributor.author	Παπαδάκη, Ελίνα-Μαργαρίτα	el
dc.contributor.author	Papadaki, Elina-Margarita	en
dc.date.accessioned	2017-07-21T11:36:56Z
dc.date.available	2017-07-21T11:36:56Z
dc.date.issued	2017-07-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45314
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14097
dc.rights	Default License
dc.subject	Σιδηροδρομικές γέφυρες	el
dc.subject	Προεντεταμένο σκυρόδεμα	el
dc.subject	Λογισμικό OpenSees	el
dc.subject	Σεισμική απόκριση	el
dc.subject	Εναλλακτικός σχεδιασμός	el
dc.subject	Railway bridges	en
dc.subject	Prestressed concrete	en
dc.subject	OpenSees	en
dc.subject	Seismic response	en
dc.subject	Alternative design	en
dc.title	Αξιολόγηση της σεισμικής απόκρισης και διερεύνηση εναλλακτικού σχεδιασμού σιδηροδρομικής γέφυρας με χρήση του λογισμικού OpenSees	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Τομέας δομοστατικής	el
heal.classification	Προεντεταμένο σκυρόδεμα	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-06-07
heal.abstract	Αντικείμενο μελέτης της παρούσας διπλωματικής είναι η σεισμική συμπεριφορά μιας σιδηροδρομικής προεντεταμένης γέφυρας τριών ανοιγμάτων με καμπύλη χάραξη μονολιθικά συνδεδεμένης με τα μεσόβαθρα, καθώς και η διερεύνηση ενός εναλλακτικού σχεδιασμού της γέφυρας με την παρεμβολή ελαστομεταλλικών εφεδράνων με πυρήνα μολύβδου μεταξύ καταστρώματος και βάθρων. Η προσομοίωση και η ανάλυση της γέφυρας πραγματοποιήθηκαν με το πρόγραμμα OpenSees του Πανεπιστημίου Berkeley. Στόχοι της εργασίας είναι αφενός η σύγκριση της σεισμικά μονωμένης γέφυρας με τη συμβατική μονολιθική λύση, αφετέρου δε η εξακρίβωση της διαδικασίας για την αποτελεσματική προσομοίωση προεντεταμένων στοιχείων στο OpenSees. Αρχικά, η εργασία ξεκινάει στο πρώτο κεφάλαιο με την αναφορά κάποιων εισαγωγικών στοιχείων για τα είδη των γεφυρών και την ταξινόμησή τους, τους τρόπους σύνδεσης καταστρώματος-βάθρων, όπως επίσης μερικών γενικών στοιχείων που αφορούν την προένταση και τις σιδηροδρομικές γέφυρες. Συνεχίζοντας στο δεύτερο κεφάλαιο, αναγράφονται οι κανονιστικές διατάξεις και τα τμήματα των Ευρωκωδίκων πάνω στα οποία βασίστηκε η ανάλυση, όπως τα φορτία κυκλοφορίας που ορίζονται από τους κανονισμούς για τις σιδηροδρομικές γέφυρες και τις βασικές αρχές του αντισεισμικού σχεδιασμού. Η επιλεγμένη γέφυρα, η οποία διασχίζει τον αυτοκινητόδρομο Τρίπολης-Καλαμάτας, περιγράφεται εκτενώς στο τρίτο κεφάλαιο, όπου παρουσιάζονται με σχέδια η γεωμετρία του, οι διατομές και ο οπλισμός των μελών του, καθώς και τα χαρακτηριστικά της προέντασης που υφίσταται, ήτοι αριθμός και γεωμετρία τενόντων αλλά και αρχικές δυνάμεις προεντάσεως. Ακολούθως, στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο πρόγραμμα OpenSees αναφέροντας γενικά στοιχεία που αφορούν τη δομή και τη λειτουργία του, όπως επίσης τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που συνεπάγονται της χρήσης του. Δεδομένου ότι μέχρι πρότινος το OpenSees δεν είχε αναπτύξει νόμο υλικού που να προσεγγίζει σωστά τη συμπεριφορά του χάλυβα προεντάσεως, η εφαρμογή του σε κατασκευές από προεντεταμένο σκυρόδεμα ήταν περιορισμένη έως ανύπαρκτη. Με την είσοδο του νέου υλικού Steel4 στη βιβλιοθήκη του OpenSees, το γεγονός αυτό ίσως αρχίσει να ανατρέπεται. Για να επιβεβαιωθεί η ορθότητα της συμπεριφοράς του, δοκιμάστηκε σε πολλαπλά προβλήματα στα προκαταρκτικά ακόμα στάδια της εργασίας με ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο αυτό, παρουσιάζεται η εφαρμογή του σε μια απλή αμφιέρειστη δοκό για την κατανόηση της συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια, στο πέμπτο κεφάλαιο, καταγράφεται βήμα προς βήμα η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την προσομοίωση της γέφυρας και τη δημιουργία του μοντέλου που θα χρησιμοποιηθεί για την ανάλυση. Παρουσιάζονται όλες οι εντολές που έλαβαν χώρα κατά τη μοντελοποίηση, από τη γεωμετρία του φορέα και τα υλικά μέχρι τα φορτία και τον τρόπο καταγραφής των αποτελεσμάτων. Σε καμία περίπτωση, η καταγραφή αυτή δεν αντικαθιστά το εγχειρίδιο με τις οδηγίες χρήσης του εν λόγω λογισμικού. Στο πλέον ολοκληρωμένο μοντέλο της γέφυρας διενεργείται στο έκτο κεφάλαιο στατική και ιδιομορφική ανάλυση, καθώς και ανάλυση Pushover για την εύρεση της στοχευόμενης μετακίνησης της κατασκευής στις δύο οριζόντιες διευθύνσεις όταν υποβάλλεται στους σεισμούς της Καλαμάτας (1986) και του Westmorland (1981) για περιόδους επαναφοράς 1075 και 2475 χρόνια. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται η δυναμική μη γραμμική ανάλυση της γέφυρας με χρονοϊστορίες. Οι σεισμικές διεγέρσεις που επιβλήθηκαν στην κατασκευή βασίζονται στους προαναφερόμενους σεισμούς και δοκιμάστηκαν οι εξής περιπτώσεις: μονοδιάστατη, δισδιάστατη και τρισδιάστατη διέγερση. Τα μεγέθη που καταγράφτηκαν σε κάθε διέγερση ήταν οι μετακινήσεις στις χαρακτηριστικές θέσεις του καταστρώματος (ακρόβαθρα, μεσόβαθρα και κέντρο μάζας καταστρώματος), οι τέμνουσες βάσης των μεσοβάθρων, οι ροπές σε μεσαίο άνοιγμα και στήριξη, καθώς και οι τάσεις της μεσαίας διατομής σε άνω, κάτω ίνα σκυροδέματος, η τάση σκυροδέματος στη στάθμη των τενόντων και η τάση του χάλυβα προεντάσεως στους τένοντες. Τέλος, στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται η διερεύνηση ενός εναλλακτικού σχεδιασμού της υφιστάμενης γέφυρας με την προσθήκη ελαστομεταλλικών εφεδράνων με πυρήνα μολύβδου μεταξύ καταστρώματος και βάθρων. Εξετάζεται η περίπτωση μοντέλου που διαθέτει τρία εφέδρανα σε κάθε ακρόβαθρο και δύο σε κάθε μεσόβαθρο. Στη σεισμικά μονωμένη γέφυρα πραγματοποιείται ιδιομορφική ανάλυση και ανάλυση Pushover. Εν συνεχεία, γίνεται σύγκριση των σεισμικών αποκρίσεων των δύο μοντέλων κατά τις σεισμικές διεγέρσεις με τα εξής αντικείμενα συγκρίσεως: μετακινήσεις κέντρου μάζας καταστρώματος και κορυφών βάθρων, τέμνουσες βάσης των βάθρων, ροπές μεσαίου ανοίγματος και στήριξης, πλαστικές στροφές στη βάση των βάθρων, καθώς και τάσεις της μεσαίας διατομής. Παρουσιάζονται, επίσης, τα διαγράμματα δύναμης-μετακίνησης των εφεδράνων, όπως προκύπτουν από τις σεισμικές διεγέρσεις. Κλείνοντας, εξάγονται τα συγκεντρωτικά συμπεράσματα και αναγράφονται προτάσεις για πιθανή περαιτέρω έρευνα.	el
heal.abstract	The present bachelor’s thesis focuses on the seismic performance of a curved railway prestressed three-span bridge with monolithic pier-deck connections, as well as the investigation of an alternative design of the bridge by inserting lead rubber bearings between the deck and the piers. The simulation and bridge analysis was carried out using OpenSees, a software developed by the University of Berkeley. The objective of this study is to compare the isolated bridge with the conventional non-isolated one, but also to verify the procedure for the efficient simulation of prestressed elements in OpenSees. Initially, in the first chapter, the study begins with the reference of some general information regarding the types of bridges and their classification, the deck-pier (or abutment) connection methods, but also some basic knowledge about pretension and railway bridges. Continuing in the second chapter, the regulations and sections of the Eurocodes on which the bridge analysis was based, such as traffic loads defined for railway bridges and the basic principles of seismic design, are listed. The selected bridge, which crosses the Tripoli-Kalamata highway, is extensively described in chapter three, from its geometry, cross-sections and reinforcement to the features of pretension that takes place, namely the number of tendons and their geometry, but also initial prestressing forces. Subsequently, in the fourth chapter, an introduction to the OpenSees software is given by indicating general information about its structure and operation, as well as the advantages and disadvantages that its use implies. Given that until recently OpenSees had not developed a material law that could approach correctly the behavior of prestressing steel, its application to prestressed concrete structures was limited to nonexistent. With the introduction of the new material law Steel4 into the OpenSees framework, this fact may be starting to change. In order to confirm the correctness of its behavior, it was tested on multiple problems at the preliminary still stages of the study with satisfactory results. This chapter presents the implementation of Steel4 at a simply supported beam to clarify its behavior. Consequently, the fifth chapter describes step by step the procedure followed for the simulation of the bridge and the creation of the model that will be used later on the analysis. Specifically, it presents all commands used during the modeling, covering issues such as geometry, materials, loads and the recording of the results. Under no circumstances, will this description replace the manual of the software. Following the completion of the model is the static and modal analysis in chapter six. A Pushover analysis for each horizontal direction is also executed to determine the target displacements of the bridge, when submitted to the earthquakes of Kalamata (1986) and Westmorland (1981) with return periods 1075 and 2475 years. 7 In chapter seven, a dynamic non-linear time-history analysis is performed. The seismic excitations imposed on the bridge are based on the aforementioned earthquakes with the following cases tested; one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional stimulation. The values that were recorded in each stimulation were; displacements at the characteristic deck locations (abutments, piers and center of mass), base shear forces, moments of middle span and support, as well as stresses of the middle cross-section on the top and bottom fiber of concrete, concrete stress at the level of tendons and the prestressed tendon stress. Finally, in chapter eight is the investigation of an alternative design of the existing bridge by adding lead rubber bearings between the deck and piers. The case examined is a model featuring three bearings at each abutment and two at each pier. A modal and Pushover analysis is performed on the isolated bridge. The seismic responses of the two models during the seismic excitations are then compared with the following comparison objects; displacements at the center of mass of the deck and the top of the piers, base shear forces, moments of middle span and support, plastic rotations at the piers’ bases, as well as stresses of the middle cross-section. The force-displacement diagrams of the bearings as derived from the seismic excitations, are also displayed. Finally, aggregated conclusions are drawn and suggestions are made for possible further research.	en
heal.advisorName	Ζέρης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Ζέρης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Τρέζος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκας, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	256 σ.
heal.fullTextAvailability	true