Παραμετρική Διερεύνηση της Συμπεριφοράς Καλωδιωτών Γεφυρών Μικτού Συστήματος

Abstract

Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι η παραμετρική διερεύνηση της συμπεριφοράς τριών καλωδιωτών γεφυρών μικτού συστήματος. Πρόκειται για γέφυρες οι οποίες διαθέτουν κύριο παραβολικό καλώδιο, κατακόρυφους αναρτήρες καθώς και κεκλιμένα καλώδια. Έχοντας ως δεδομένα τη γεωμετρία των γεφυρών αυτών και τις διατομές των μελών του φέροντος οργανισμού τους, πραγματοποιήσαμε μια σειρά αναλύσεων με παράμετρο τη διάμετρο των κεκλιμένων καλωδίων. Οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν με χρήση του Στατικού Προγράμματος Sap 2000 Version 14. Στο πρώτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των καλωδιωτών γεφυρών καθώς και η στατική λειτουργία των επιμέρους μελών του φέροντος οργανισμού τους. Επίσης, γίνεται ιστορική αναδρομή της κατασκευής των καλωδιωτών γεφυρών με την παρουσιάση έργων που αποτέλεσαν ορόσημα σε αυτόν τον τομέα της Γεφυροποιίας. Στο τέλος του κεφαλαίου, γίνεται αναφορά στη μη γραμμική συμπεριφορά των καλωδιωτών γεφυρών, η οποία οφείλεται τόσο στις μεγάλες μετακινήσεις των φορέων αυτών όσο και στη στατική λειτουργία των καλωδίων. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παρουσιάζεται αρχικά ο τρόπος εξιδανίκευσης του φέροντος οργανισμού των γεφυρών ενώ στη συνέχεια παρατίθενται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών κατασκευής τους καθώς και τα αδρανειακά χαρακτηριστικά των διατομών των διάφορων μελών τους. Τέλος, παρουσιάζονται οι φορτίσεις που χρησιμοποιήθηκαν στις παραμετρικές αναλύσεις καθώς και οι αντίστοιχοι συνδυασμοί φόρτισης με βάση τους οποίους υπολογίστηκε η εντατική και παραμορφωσιακή κατάσταση των γεφυρών. Στο τρίτο κεφάλαιο της εργασίας, γίνεται παρουσίαση των αποτελεσμάτων των στατικών και ιδιομορφικών αναλύσεων που αφορούν την 1η καλωδιωτή γέφυρα συνολικού μήκους 960 m. Αρχικά, παρατίθενται τα διαγράμματα εντατικής κατάστασης των πυλώνων, των κύριων δοκών και του καταστρώματος της γέφυρας καθώς επίσης και τα διαγράμματα που αφορούν την κατανομή της αξονικής έντασης στους αναρτήρες, στα κεκλιμένα καλώδια καθώς και στο κύριο παραβολικό καλώδιο. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται οι κύριες ιδιομορφές της γέφυρας για τις διάφορες τιμές της διαμέτρου των κεκλιμένων καλωδίων και γίνεται διαγραμματική απεικόνιση της μεταβολής των τιμών των αντίστοιχων ιδιοπεριόδων. Στο τέταρτο κεφάλαιο της διατριβής, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων που αφορούν την 2η καλωδιωτή γέφυρα συνολικού μήκους 1280 m. Στην αρχή αυτού του κεφαλαίου, παρουσιάζονται επίσης τα διαγράμματα εντατικής κατάστασης των διαφόρων μελών του φέροντος οργανισμού καθώς και συγκριτικά διαγράμματα της αξονικής καταπόνησης των καλωδίων. Στη συνέχεια, ακολουθεί η αναλυτική παρουσίαση των κύριων ιδιομορφών της γέφυρας για τις διάφορες τιμές διαμέτρων των κεκλιμένων καλωδίων και γίνεται σύγκριση των τιμών των ιδιοπεριόδων που προκύπτουν. Στο πέμπτο κεφάλαιο, παρατίθενται τα αποτελέσματα των στατικών και ιδιομορφικών αναλύσεων που αφορούν την 3η καλωδιωτή γέφυρα συνολικού μήκους 1600 m. Ομοίως με τα δύο προηγούμενα κεφάλαια, γίνεται αναλυτική παρουσίαση των διαγραμμάτων εντατικής κατάστασης της γέφυρας καθώς και των αντίστοιχων ιδιομορφών της που προέκυψαν μέσω των παραμετρικών αναλύσεων. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα στα οποία καταλήξαμε όσον αφορά τη συμπεριφορά των καλωδιωτών γεφυρών μικτού συστήματος. Αρχικά παρατηρήσαμε ότι αυξάνοντας τη διάμετρο των κεκλιμένων καλωδίων, οι γέφυρες γίνονται πιο δύσκαμπτες κυρίως όσον αφορά την ταλάντωσή τους στην κατακόρυφη διεύθυνση. Επίσης, η αύξηση της διατομής των κεκλιμένων καλωδίων έχει ως αποτέλεσμα την καταπόνησή τους με υψηλότερες αξονικές δυνάμεις και την αντίστοιχη μείωση της αξονικής έντασης του κυρίου παραβολικού καλωδίου και των αναρτήρων.

This thesis investigates the behavior of three cable supported bridges with mixed cable system, which have one main parabolic cable, vertical suspenders and inclined cables. Knowing the exact geometry and loading of these bridges, we performed a series of parametric analyses with the Static Program Sap 2000 Version 14, using as parameter the diameter of the inclined cables. In the first chapter of this thesis, we present the characteristics of cable supported bridges and the static role of their members. Moreover, there is a flashback to the construction of cable bridges through last centuries by displaying the most important of them. At the end of the chapter, we describe the non linear behavior of cable bridges which results from the large displacements of this type of structures and the static function of the cables. In the second chapter, we describe how we simulated the different elements of the bridges’ bearing system at Sap2000 and we present the mechanical properties of the materials and the cross sections used in these structures. In the end, we define the load combinations which were used in order to find the stress and strain state of the bridges. The third chapter refers to the results of static and modal analyses concerning the first cable bridge which has an overall length of 960 m. First of all, we present the axial and shear forces diagrams of the bridge’s pylons and main beams as well as their bending moment diagrams. What is more, we display the distribution of axial loading among the inclined cables, the suspenders and the parabolic cable and we also show the stress state diagrams of the deck’s slab. Finally, we display the main modes of bridge’s oscillations and the variation of the eigenfrequencies caused by the increase of inclined cables’ diameter. The fourth chapter presents the results of the analyses that refer to the second cable bridge with an overall length of 1280 m. In the beginning of the chapter, we display the moment and forces diagrams of the main parts of the bridge and also diagrams with the axial stress of cables. What is more, we present the most important mode shapes of the bridge for the values of our analysis’ parameter. In the fifth chapter, the results concerning the third cable bridge with total length of 1600 m are shown. Like the two previous chapters, we present the diagrams of forces and moments as well as the shape modes of this bridge for the different values of the inclined cables’ diameter. In the sixth chapter, we present the conclusions that we have reached concerning the behavior of cable bridges with mixed system. First, we conclude that by increasing the diameter of inclined cables the bridges become stiffer during their oscillations especially in the vertical direction. Furthermore, the increase of the inclined cables’ section results in higher axial forces at these cables and at the same time reduces the axial strain of the parabolic cable and vertical suspenders.