Optimisation of Network Tied-Arch Bridges
Arch Shape, Network Pattern and Density
Autor: Urias Morf
Sprache: Englisch
Kurzfassung
Der effiziente Entwurf einer Netzbogenbrücke ist aufgrund der vielen Entwurfsvariablen, wie der Bogenform, der Hängeranordnung und des Fahrbahnsystems, eine besondere Herausforderung. In den letzten zwei Jahrzehnten ist dieser Brückentyp zu einer beliebten Alternative für mittlere Spannweiten bei Straßen- und Eisenbahnbrücken geworden. In Anbetracht des effizienten Materialeinsatzes ist eine weitere Steigerung wünschenswert. Allerdings wurden viele Aspekte bisher nicht in einem integralen Ansatz und in ausreichender Tiefe untersucht. Der Einfluss der wichtigsten Entwurfsvariablen auf das Tragwerksverhalten bietet die Grundlage, um allgemeine Richtlinien für einen effizienten und einfachen Entwurf. Dafür wurden verschiedene Hängeranordnungsgsmuster entwickelt. Es gelten diverse Anforderungen der Grenzzuständen für Fahrzeugnutzung und Windeinwirkung, aber auch für Extremereignisse und Ermüdung zu erfüllen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Hängerdichte und deren Neigung weiter zu untersuchen.
Durch die Untersuchung der Blennerhassett Island Bridge wird Optimierungspotential für die Hängerdichte und die Hängerneigung aufgezeigt. Auch werden neue Methoden zur Bestimmung der effizientesten Bogenform und des Eigenspannungszustandes vorgestellt. Für die Bogenform wird eine Annäherung der Schublinie der hypothetischen unendlich dichten Hängeranordnung empfohlen. Der Eigenspannungszustand wird durch die Formulierung eines effizient lösbaren linearen Programmierproblems optimiert. Die Untersuchung wird in einem linear-elastischen ebenen Bogenmodell durchgeführt. Als Maß für die Optimalität werden zu Vergleichszwecken die Strukturkosten der Hauptkomponenten abgeschätzt. Für den Referenzfall der Blennerhassett Island Bridge ergaben sich durch die Annäherung der Bogenform an die Schublinie und einen optimierten Eigenspannungszustand erhebliche Einsparungen. Auf der anderen Seite hat die Hängerdichte einen vernachlässigbaren Einfluss auf das Tragwerksverhalten, abgesehen von der Reduzierung der Auswirkungen bei Hängerverlust. Weiter verändert die Hängerneigung das elastische Verhalten des Tragwerks und die optimale Bogenform erheblich.
Basierend auf den Ergebnissen werden neue Entwurfsrichtlinien formuliert. In erster Linie sollte die schwimmende Fahrbahn zuerst optimiert werden, bevor das Tragwerk des Netzwerkbogens betrachtet wird. Der erhebliche Versatz der Schublinie des Bogens zu den typischen Bogenformen unter Dauerlasten wird durch eine Anpassung der Form an das jeweilige quartische Polynom reduziert. Weiter wird ein gleichmäßiger Abstand der Hängerverbindungen auf dem Bogen empfohlen, um die unvermeidlichen Formabweichungsmomente zu reduzieren. Allerdings ist auch ein gleichmäßiger Abstand am Zugträger kritisch, was die radiale Hängeranordnung besonders ungünstig macht. Eine erhöhte Hängerdichte muss mit einer entsprechenden Erhöhung der Anzahl der Querträger gepaart werden. Letztlich hat die Anordnung mit konstanter Neigungsänderung die Kopplung von Bogen und Zugglied deutlich erhöht. Daher ist diese Anordnung insbesondere mit erheblichen Neigungsänderungen der Hänger zu empfehlen. Diese Richtlinien beziehen sich auf die Umstände der Blennerhassett Island Bridge mit besonders großen Abständen der Hänger und Querträger. Weitere Untersuchungen an kleineren Brücken und Verbundfahrbahnsystemen können mit den gleichen Methoden durchgeführt werden und könnten vielversprechende Erkenntnisse liefern.
