Optimisation of Network tied-arch bridges

with focus on rise-to-span ratio

Autor: Moritz Studer
Sprache: Englisch

Kurzfassung

Bei Netzwerkbogenbrücken handelt es sich um Stabbogenbrücken mit schrägen Hängern, die sich mindestens zweimal kreuzen. Erstmals 1963 vom Pionier Per Tveit eingesetzt, wurde das Konzept der Netzwerkbogenbrücken aufgrund seiner Komplexität jahrelang gemieden. Erst in den letzten Jahrzehnten scheint es dank neuer, computergestützter Berechnungsmöglichkeiten seinen Durchbruch geschafft zu haben. Aus diesem Grund ist dieser Brückentyp im Vergleich zu anderen noch eher unerforscht. Um den Anforderungen an die Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Dauerhaftigkeit sowie ökonomischen, ökologischen und ästhetischen Aspekten gerecht zu werden, ist fundiertes Wissen über die Bauweise notwendig und demensprechend auch weitere Forschung.

Diese Masterarbeit ist ein Beitrag zu einem Forschungsprojekt am Lehrstuhl für Massiv- und Brückenbau der ETH Zürich über Netzwerkbogenbrücken. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Parameterstudie über das Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite durchgeführt. Aus diesem Grund wurde ein Optimierungsverfahren entwickelt, bei dem sowohl die Pfeilhöhe der Netzwerkbogenbrücke als auch die Bogenform einfach und schnell anpassbar ist, um möglichst viele Informationen über deren statischen Einfluss zu gewinnen. Für das wird die Geometrie mittels Grasshopper erzeugt, einer visuellen Programmiersprache, die im computergestützten 3D-Design Programm Rhinoceros läuft. Darin wird das Modell für den modifizierten Parameter automatisch generiert. Die nachfolgende statische Berechnung für die verschiedenen Modelle wird in der Software SOFiSTiK durchgeführt.

Ziel der Arbeit ist es, den optimalen Bereich für den untersuchten Parameter zu ermitteln und diesen möglichst isoliert von anderen zu erhalten. Für die zu untersuchenden Fälle mit dem jeweiligen Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite wird eine Strukturoptimierung durchgeführt, die sowohl eine Optimierung der Bogenform als auch eine Optimierung des durch die Hängervorspannung induzierten Gleichgewichtsspannungszustandes beinhaltet.

Als Referenzobjekt für die Untersuchung dient die Blennerhassett Island Brücke, eine Netzwerkbogenbrücke mit einem Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite von 1/5. Für die Untersuchung wird dabei nur die Geometrie des Bogens der entsprechenden variierenden Pfeilhöhe angepasst. Andere Parameter wie die Hängernetzanordnung, das laterale Bogenaussteifungssystem, das statische System der Brückebplatte sowie die Breite der Brücke werden konstant angenommen. Es hat sich gezeigt, dass die gewählten Optimierungskriterien des Eigenspannungszustandes einen entscheidenden Einfluss auf die Auslastung der verschiedenen Querschnitte der Strukturelemente haben. Des Weiteren kann mit zunehmender Höhe des Bogens bis zu einem Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite von 1/5 eine deutliche Kostenreduktion der strukturellen Elemente erzielt werden, für Bögen mit grösseren Pfeilhöhen können die Kosten der strukturellen Elemente jedoch kaum noch optimiert werden. Unter Berücksichtigung zusätzlich anfallenden Kosten für höhere Bögen, kann ein optimales Verhältnis der Pfeilhöhe zur Spannweite von etwa 1/5 erwartet werden. Es hat sich auch gezeigt, dass das Verhältnis stark von der Brückenbreite abhängig ist, was eine davon unabhängige Betrachtung des Optimums des Verhältnisses der Pfeilhöhe zur Spannweite erschwert. Es ist jedoch festzustellen, dass das Verhältnis der Blennerhassett Island Brücke im Bereich des Optimums liegt, dennoch würde Potenzial zur Optimierung der Bogenform bestehen.