Εφαρμογή των προεντεταμένων ταινιοδιαδρόμων (stress ribbon) στη μελέτη και την κατασκευή πεζογεφυρών και γεφυρών ελαφρών οχημάτων

Abstract

Μια γέφυρα με προεντεταμένους ταινιοδιαδρόμους, όπως μεταφράζεται στα ελληνικά η γέφυρα stress ribbon , είναι μια πολύ λεπτή και εύκαμπτη κατασκευή στην οποία το κατάστρωμα αναρτάται από φέροντα καλώδια που περνούν μέσα από τη διατομή και τα οποία με τη σειρά τους έχουν αναρτηθεί από δύο σταθερά σημεία στα ακρόβαθρα. Η απόκριση μιας τέτοιας γέφυρας είναι σύνθετη , εξαιτίας της συνδυασμένης δράσης της γεωμετρικής μη γραμμικότητας , της προέντασης , της εξάρτησης της συμπεριφοράς των υλικών από φαινόμενα εξελισσόμενα με το χρόνο (ερπυσμός- συστολή ξηράνσεως-αύξηση του μέτρου ελαστικότητας σκυροδέματος με το χρόνο) καθώς και της κατασκευαστικής ακολουθίας. Παρ’ όλα αυτά , ένας αξιοσημείωτος αριθμός από γέφυρες με προεντεταμένους ταινιοδιαδρόμους έχει κατασκευασθεί από τη στιγμή της εμφάνισης αυτού του νέου κατασκευαστικού τύπου τη δεκαετία του 1960. Στην παρούσα διπλωματική εργασία , επιχειρείται η ανάλυση μιας stress ribbon πεζογέφυρας ενός ανοίγματος , συνολικού μήκους 99 m που βασίζεται σε μια ήδη κατασκευασμένη γέφυρα αυτού του είδους. Η ανάλυση πραγματοποιείται με το εμπορικό πακέτο πεπερασμένων στοιχείων Abaqus/cae , όπου λαμβάνεται υπόψη η γεωμετρικά μη γραμμική συμπεριφορά των καλωδίων ανάρτησης , αποτυπώνεται σε μεγάλη συμφωνία με την πραγματικότητα και με αρκετή λεπτομέρεια η διαδικασία κατασκευής σε βήματα , προσομοιώνεται με ακρίβεια η επίδραση των φαινομένων ερπυσμού και αύξησης του μέτρου ελαστικότητας σκυροδέματος , φαινομένων δηλαδή που εξελίσσονται με το χρόνο , μέσω της βελτίωσης του νόμου του υλικού του σκυροδέματος. Τα μεγέθη που υπολογίζονται και είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος στην παρούσα εργασία είναι οι μετατοπίσεις τόσο του καλωδίου όσο και της συνολικής κατασκευής σε κάθε βήμα της ανάλυσης , καθώς επίσης και η εξέλιξη των τάσεων σε κάθε μέλος της κατασκευής , όπως και οι εντάσεις , οι αντιδράσεις στις στηρίξεις και οι ροπές κάμψης κυρίως στα ακρόβαθρα. Προκειμένου να προσομοιωθεί με ακρίβεια η επίδραση του ερπυσμού στη γέφυρα προσομοιώνεται αρχικά ένα απλό παράδειγμα στο πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων Abaqus και τα αποτελέσματα του συγκρίνονται με αυτά που προκύπτουν από τη μέθοδο της υπέρθεσης με επίλυση στο Matlab. Στη συνέχεια , πριν την κατασκευή και ανάλυση του τρισδιάστατου προσομοιώματος της πεζογέφυρας στο Abaqus, πραγματοποιείται η προσομοίωση μιας διαφορετικής γέφυρας stress ribbon σε δύο διαστάσεις , τα αποτελέσματα της οποίας σχεδόν ταυτίζονται με αυτά που προκύπτουν από την ανάλυση της ίδιας γέφυρας με το πρόγραμμα πεπερασμένων στοιχείων DIANA , όπως παρουσιάζονται στο διαδίκτυο. Δεδομένης της δυσκολίας προσομοίωσης της ενεργοποίησης των στοιχείων επόμενης φάσης στο αντίστοιχο βήμα της ανάλυσης και της δυσκολίας ακριβούς προσομοίωσης της προέντασης στο Abaqus επιχειρείται , τέλος , στην παρούσα διπλωματική εργασία , η προσομοίωση και η παρουσίαση των αποτελεσμάτων μιας απλής γέφυρας stress ribbon με τη βοήθεια του εμπορικού προγράμματος πεπερασμένων στοιχείων Sofistik.

A stress ribbon bridge is a very flexible and slender structure in which the deck hangs in a suspended cable like form. This cables are called bearing cables , come through the cross section of the deck and are suspended by two fixed points in the abutments. The structural response of this kind of structure is complex , because of the combined effects of geometric nonlinearity , prestressing , time-dependent materials behavior (creep and shrinkage of concrete , development of Young’s modulus with time) and finally because of the construction process. However , since the introduction of this new type of structure in the 1960’s , a considerable number of stress ribbon bridges have been built. In the current diploma thesis , I am trying to analyze a stress ribbon footbridge of one span and total length of 99 m that is based on a constructed bridge of such a type. For the analysis , the commercial Finite Element Software (FEM) Abaqus/cae was used , in order a) to consider the geometric non linear behavior of the bearing cables , b) to depict with great detail and not far from reality the construction process and c) to simulate precisely the long term effects of creep to concrete and the development of Young’s modulus of concrete with time by improving the material model for the concrete. Results considered to be of special interest , in this thesis , were the deformation of either the bearing cables in the beginning or of the whole structure later in every step of the analysis , the development of stresses in each member of the structure , the section forces and moments , reaction forces and moments in the abutments. In order to be sure that creep is simulated well for this bridge with Abaqus a simple example was analyzed first and its results were compared with the theoretical method of superposition for the calculation of creep strains using Matlab. Then , before the 3-D simulation of the stress ribbon bridge , a 2-D stress ribbon bridge was analyzed with Abaqus. The results showed a great convergence with the ones from the same analysis using DIANA as FE software. As many difficulties occurred from the analysis of the construction process and the prestressing of the prestressing tendons with the use of Abaqus I tried to simulate a simple stress ribbon pedestrian bridge and present the results with the help of another commercial finite element software called Sofistik.