Σχεδιασμός χαλύβδινης τοξωτής γέφυρας με δύο διαδοχικά λοξά τόξα και σύμμικτο κατάστρωμα

Μπαμπάτσικος, Βασίλειος - Μίνωας; Bampatsikos, Vasileios - Minoas

dc.contributor.author	Μπαμπάτσικος, Βασίλειος - Μίνωας	el
dc.contributor.author	Bampatsikos, Vasileios - Minoas	en
dc.date.accessioned	2023-03-28T08:27:59Z
dc.date.available	2023-03-28T08:27:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/57344
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.25042
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση των Κατασκευών”	el
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	Διαστασιολόγηση	el
dc.subject	Dimensioning	en
dc.subject	Ανάλυση	el
dc.subject	Analysis	en
dc.title	Σχεδιασμός χαλύβδινης τοξωτής γέφυρας με δύο διαδοχικά λοξά τόξα και σύμμικτο κατάστρωμα	el
dc.title	Structural design of a steel bridge with two consecutive diagonal arches and composite deck	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Στατική ανάλυση	el
heal.classification	Structural design	en
heal.classification	Διερεύνηση	el
heal.classification	Investigation	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023-02-24
heal.abstract	Η μελέτη πραγματεύεται τον πλήρη δομοστατικό σχεδιασμό ενός τοξωτού φορέα γέφυρας 2 συνεχών ανοιγμάτων των 100m, με δύο διαδοχικά τόξα χρησιμοποιώντας το λογισμικό στατικών και δυναμικών αναλύσεων γεφυροποιϊας, MIDAS Civil. Η ιδιαιτερότητα της συγκεκριμένης γεωμετρίας, σχετίζεται με την λοξότητα των τόξων που αναρτούν το σύμμικτο κατάστρωμα και τους περιορισμούς λειτουργικότητας που απορρέουν απο αυτή. Επισημαίνεται, οτι τα τοξωτά μέλη δεν συνδέονται με τις κύριες δοκούς ως τόξα ελυστήρα αλλά πακτώνονται εκτός του ορίου του οδοστρώματος απαιτώντας έτσι άκαμπτες στηρίξεις στο έδαφος. Η στατική λειτουργία των λοξών τόξων μοιάζει αρκετά με την φιλοσοφία των παράλληλων τόξων, ωστόσο εδώ τα τόξα είναι μονά και φέρουν όλη την ένταση. Συχνά, προς ικανοποίηση της καλαισθησίας και της εκάστοτε αρχιτεκτονικής οπτικής απαίτησης, η γεωμετρία των μελών τείνει να συγκρούεται με την πλήρη αξιοποίηση των αντοχών μιας “μη συμβατικής” γεωμετρίας με αποτέλεσμα οι αναλύσεις να είναι συνθετότερες, ο φορέας να υπολειτουργεί σε κάποιο βαθμό και το έργο συνολικά να καθίσταται πιο δαπανηρό. Οι δράσεις που λήφθηκαν υπόψην στην παρούσα μελέτη είναι αυτές που προδιαγράφονται στον ΕΝ 1991-1 ενώ οι βάσεις σχεδιασμού αφορούν οριακές καταστάσεις αστοχίας, λειτουργικότητας, τυχηματικές και σεισμού. Διαστασιολογήθηκαν όλα τα επιμέρους μέλη του φορέα σε επίπεδο διατομών, μελών και αλληλεπίδρασης των ταυτόχρονων εντατικών μεγεθών, ακολουθώντας τις συστάσεις του EN 1993-1 για τα αμιγώς χαλύβδινα μέλη και του EN 1994-1 για τα σύμμικτα. Μεταξύ των υπόλοιπων αναλύσεων, διερευνήθηκε ο στρεπτοκαμπτικός λυγισμός της διαδοκίδας στη φάση κατασκευής και πιο συγκεκριμένα διαπιστώθηκε σε τι βαθμό εξασφαλίζει το άνω πέλμα της δοκού ένα χαλυβδόφυλλο αυξημένου ύψους. Η υπό διερεύνηση δέσμευση προσομοιώθηκε με γραμμικά πλευρικά ελατήρια δυσκαμψίας που παρέχεται απο την ενεργό δυσκαμψία της παραμόρφωσης του χαλυβδόφυλλου, την παραμόρφωση της σύνδεσης καθώς και την παραμόρφωση του άνω πέλματος της διαδοκίδας, σύμφωνα με τις διατάξεις του EN 1993-1-3 για φύλλα ψυχρής έλασης. Οι κύριες δοκοί, σχεδιάσθηκαν ως αμιγώς χαλύβδινες, ενώ κρίσιμος για την προκύπτουσα διατομή τους ήταν το τυχηματικό σενάριο θραύσης ενός απο τους αναρτήρες. Όπως περιγράφεται, οι δύο δοκοί δεν φορτίζονται το ίδιο αφού λόγω της λοξότητας των τόξων, τα καλώδια απουσιάζουν σε ένα μεγάλο κομμάτι της μιας δοκού αντικαθιστώντας έτσι την ανάρτηση, με έδραση σε ένα επιπλέον εφέδρανο. Πραγματοποιήθηκε 1ης και 2ης ταξης ανάλυση για τα κύρια τόξα με βάση τις ατέλειες που προδιαγράφονται απο τον EN για εκτός επιπέδου μορφές μεμονωμένων μελών τόξων στον καθολικό φορέα του αναλυτικού μοντέλου. Η γραμμική ιδιομορφική ανάλυση λυγισμού για τα κατακόρυφα φορτία, επισήμανε οτι κρίσιμος για τα κύρια διαγώνια τόξα είναι ο εκτός επιπέδου λυγισμός, σε αντίθεση με τα δευτερεύοντα μέλη όπου λυγίζουν κυρίως στο επίπεδό τους. Χρησιμοποιώντας τις δυνατότητες του λογισμικού και αξιοποιώντας το μητρώο επιρροής της προέντασης για δεδομένους περιορισμούς κατακόρυφης μετακίνησης καταστρώματος, προέκυψε, ύστερα απο αριθμό επαναλήψεων, η απαιτούμενη προένταση ικανοποιώντας ταυτόχρονα τα όρια λειτουργικότητας και αστοχίας με βάση την διατομή του καλωδίου. Πραγματοποιήθηκε γραμμική ανάλυση με truss elements αλλά και γεωμετρική μη γραμμική ανάλυση με cable catenary elements και προέκυψε οτι η συμπεριφορά των καλωδίων των 2 αναλύσεων αποκλίνει ελάχιστα λαμβάνοντας υπόψην και την βύθιση του καλωδίου σε κάθε βήμα φορτίου με την επαναληπτική μέθοδο Newton-Raphson. Εξετάσθηκαν δύο σενάρια, αντικατάστασης και θραύσης καλωδίου στον φορέα. Το πρώτο αφορά την απλή αντικατάσταση ενός αναρτήρα λόγω φθοράς ή καιρικών συνθηκών υπό τα φορτία λειτουργίας της γέφυρας. Ωστόσο, το δεύτερο είναι ένα δυναμικό φαινόμενο και εξετάζεται με ισοδύναμο στατικό τρόπο στο αναλυτικό προσομοίωμα, για τα οινονεί μόνιμα φορτία, προσαυξάνοντας την φόρτιση με αντίστοιχο δυναμικό συντελεστή. Σχετικά με την κόπωση, παρ’όλο που το συνολικό άνοιγμα της γέφυρας είναι 200m, κρίσιμος προέκυψε ο έλεγχος του κάτω πέλματος της διαδοκίδας, γεγονός αναμενόμενο αφού το μέλος δουλεύει σε μήκος 24m. Παράλληλα, στα πλαίσια προδιαστασιολόγησης ελέγχθηκε η συμπεριφορά ελαστομεταλλικών εφεδράνων διαστάσεων 1000x1000x400 χωρίς αποσβεστήρες για τους διάφορους σεισμικούς και μη συνδυασμούς. Προέκυψε ωστόσο, οτι είναι αναγκαία η μόνωση του φορέα είτε με εφέδρανα με πυρήνα μολύβδου ή με προσθήκη αποσβεστήρων σε σημεία στα βάθρα. Ακολούθησε η διαστασιολόγηση τυπικών συνδέσεων της ανωδομής με πεπερασμένα στοιχεία και ελέγχθηκε ο περιορισμός τάσεων κατά VonMises στο όριο διαρροής, για τους δυσμενέστερους συνδυασμούς. Τελικά, για την πιο ελκυστική παρουσίαση της γεωμετρίας και την κατανόηση των περιορισμών λειτουργικότητας που προκύπτουν απο την λοξότητα των τόξων, πραγματοποιήθηκε φωτορεαλιστική απεικόνιση του υπό μελέτη φορέα μέσα απο λογισμικά 3D σχεδίασης και απεικόνισης.	el
heal.abstract	This study deals with the complete structural design of an arch bridge of 2 main spans, 100m long each with two consecutive diagonal arches through the deck. The software that was used, is the specialized bridge analysis Korean software called Midas Civil. The main particularities of the understudy geometry, are related to the skewed main arches that suspend the deck below and the serviceability limitations that derive from it. It is noted also, that the arches are not connected to the main girders to form a tied arch bridge, but they are being fully fixed out of the bounds of the composite deck of the bridge, demanding solid and rigid foundations. The structural behavior of diagonal arches is more or less similar to that of the parallel to the deck arches, however, while the second work as a compression frame system, the first tend to carry the whole load as sole members. So, in order to satisfy the elegance and the the demanded architectural approaches, the geometry of a structure tends to contravene with the expected exploitation of the resistance of a “noncompatible” geometry, something that leads to more complex analyses, the structure tends to underperform and eventually becoming more expensive material wise. The loads that were taken into consideration on this particular case are those specified in the EN 1991-1, while the states of the design have to deal with ultimate loads, serviceability limits, accidental actions and seismic states. All of the members were designed for all the internal forces of the considered states as cross sections and members following the considerations of EN 1993-1 for the steel parts and the EN 1994-1 for the composite ones. On the construction phase, it was examined to which extent, a thick and high steel sheet could laterally support the top flange of a typical cross girder that is prone to buckle from lateral-torsional effects because of its long span. This lateral support was simulated with axial side springs along the span of the beam, of a stiffness that is provided by the deformations of the active cross sectional area of the steel sheet, the connection between the sheet and the top flange and the deformations of the top flange, according to the specifications of EN 1994-3 for category 4 cold form sheets. The main girders were designed as steel members and not composite like the cross girders, while critical for their demanded final cross section, was the scenario of a cable snapping. Also, it is noted that because of the diagonal arches the loading is not symmetrical for the two girders, while one of them is not continuously suspended with cables but sitting on an extra bearing. A 1st and 2nd order analysis is carried out for the main diagonal arches based on the member imperfections that are advised from EN for out of plane modes of fully fixed arches. The linear buckling analysis for all the the vertical loads, indicated that for the main diagonal arches the out of plane buckling is critical whereas the secondary arched members mainly buckled inside their plane. Using the vast variety of functions from the software and more specifically utilizing the influence matrix and unknown load factor method, for specific constraints of the vertical deformations of the deck, the demanded pretension loads emerged, after a big amount of iterations. A Linear and Geometric Nonlinear analysis (Newton Raphson method) was carried out with truss elements and cable catenary elements respectively and showed that the stiffness of the cables from the two analyses did not differ significantly on the last step. In addition, two scenarios were examined, the replacement and the snap of a cable. The first has to do with the replacement of a cable because of time decay or extreme weather conditions, and is being carried out while the bridge is functioning. However, the second scenario is considered a dynamic phenomenon that is being examined as an equivalent static load case on the analytical model, using of course a magnified dynamic factor on the procedure. Regarding the fatigue analysis of the bridge, the developing stresses showed that while the total span is not so prone to the phenomenon, the demanded cross section of the cross girder is susceptible to fatigue, especially the lower flange. A case that seems right, as the cross girders are 24m long. Moreover, the behavior of 8 elastomeric bearings of dimensions 1000x1000x400 was examined, without damping systems for the ultimate and seismic states accordingly. The conclusion is that eventually a damping system is needed and that could be achieved again with elastomeric bearings with lead cores, or dampers on the abutments. Additionally, typical connections of the superstructure with finite elements were designed, with the main criteria being the limitation of the stresses under the yield stress, according to the VonMises criterion for the limit states of the design. Eventually, for the better understanding of the serviceability limitations and the attraction of the presentation of the structure, a 3D photorealistic rendering was carried out, using leading 3D design software and render engines to provide the reader with a more pleasant read.	en
heal.advisorName	Θανόπουλος, Παύλος	el
heal.advisorName	Thanopoulos, Pavlos	en
heal.committeeMemberName	Βαμβάτσικος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Vamvatsikos, Dimitrios	en
heal.committeeMemberName	Γαντές, Χάρης	el
heal.committeeMemberName	Gantes, Haris	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	357 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false