A Parametric Study of Timber Network Arch Bridges With Timber Deck on Transversal Crossbeams

Abstract

Nettverksbuebroer er en strukturelt effektiv løsning for lange spenn samtidig som materialbruken minimeres på grunn av den gunstige momentfordelingen. Tradisjonelt sett benyttes buer i stål i kombinasjon med et betongdekke i nettverksbuebroer. Disse materialene har et betydelig klimaavtrykk, i motsetning til tre.

Denne masteroppgaven undersøker og optimaliserer ulike konsepter for nettverksbuebroer med tre som hovedmateriale. Målet er å muliggjøre lange spenn, samtidig som antallet forbindelser langs buen minimeres for å øke bestandigheten mens den strukturelle integriteten opprettholdes. Oppgaven utforsker også den strukturelle påvirkningen av å innføre skjøter i buene. I tillegg foreslås nye design for å tilpasse fordelingen av bøyemoment langs buene og i enden av buene.

En fullstendig parametrisk modell er utviklet for å utforske ulike design ved hjelp av Grasshopper og Karamba3D. En flerobjektiv optimaliseringsmetode ved bruk av Octopus benyttes for å optimalisere ulike konfigurasjoner. Undersøkelsene inkluderer ulike spennlengder, sett med hengere og design som inkluderer skjøter, alternative hjørnedesign og skråstilte buer.

Ved å lene buene mot hverandre, øker stivheten mot utbøying. Som et resultat er det mindre behov for vindfagverk, noe som reduserer materialkostnader og antall eksponerte forbindelser, og dermed øker broens bestandighet. I tillegg viste studien at ved å slå sammen bestemte hengerforbindelser på undersiden av buen, kunne det totale antallet reduseres med 1/3 uten å påvirke det strukturelle. Simuleringene indikerte en optimal hengervinkel mellom 43 og 47 grader. Ved usymmetrisk belastning kan noen hengere bli ubelastet, noe som betyr at de blir avslappet. Dette kan føre til en ugunstig fordeling av bøyemoment. Avslapping av hengere kan være en større utfordring med skråstilte buer på grunn av lavere optimale hengervinkler.

For alle de utforskede brokonfigurasjonene, var knekking ut av planet den mest kritiske design-sjekken. Som et resultat av dette, varierte det optimaliserte bredde-til-høyde-forholdet til buene mellom 1,5 og 2. Innføring av skjøter i buene hadde en merkbar effekt på knekking, men liten påvirkning på andre objektiver. Implementering av skjøter i buene økte verdien av design-sjekkene, mens antallet skjøter viste en ubetydelig forskjell. Totalt sett var den strukturelle oppførselen tilfredsstillende. I tillegg ble det implementert en økende buehøyde mot opplagerne. En justering av høyden førte til betydelig endring i momentfordelingen.

Denne oppgaven fungerer som en mulighetsstudie av nettverksbuebroer i tre, og gir innsikt i designoptimalisering og vurderinger av strukturell oppførsel.

Network arch bridges offer a structurally efficient solution for covering long spans and minimizing material usage due to the favorable bending moment distribution. Traditionally, network arch bridges have employed steel arches in combination with a concrete slab. These materials have a substantial carbon footprint as opposed to timber.

This master’s thesis investigates and optimizes different concepts for network arch bridges with timber as the primary material. The objective is to enable long spans while minimizing the number of connections along the arches to enhance durability while maintaining structural integrity. The thesis also explores the structural impact of introducing splices in the arches. Additionally, new design approaches are proposed to regulate the distribution of moments along the arches and at the arch ends.

A fully parametric model is developed to explore various design configurations using Grasshopper and Karamba3D. A multi-objective optimization approach using Octopus is employed to optimize various design configurations. The investigations include different span lengths, sets of hangers, and designs incorporating splices, alternative corner designs, and leaned arches.

By leaning the arches toward each other, the out-of-plane stiffness increases. As a result, there is less need for wind bracing, reducing material cost and the number of exposed connections, consequently increasing the durability of the bridge. Similarly, the study showed that by merging designated hanger connections on the lower edge of the arch, the total number could be reduced by 1/3 without affecting structural performance. Simulations indicated an optimum hanger angle between 43 and 47 degrees. With skew loading, some hangers may be unloaded, meaning they are relaxed. This could lead to an unfavorable moment distribution. Relaxation of hangers may be a greater challenge with leaned arches due to lower optimum hanger angles.

For all the explored bridge configurations, out-of-plane buckling was the most critical design check. Consequently, the optimized width-to-height ratio ranged between 1.5 and 2. The number of splices in the arches had a noticeable effect on buckling, nonetheless negligible influence on other objectives. Implementing splices in the arch increased the design check values, while the number of splices exhibited an insignificant difference. Overall, the structural performance was satisfactory with the assumed splice design. Moreover, an increasing arch height toward the supports was implemented. An adjustment of the height would considerably change the bending moment distribution.

This study serves as a feasibility analysis of network arch bridges using timber, providing insights into design optimization and performance considerations.