Optimalisering av kablenes vinkling i en nettverksbuebru

Abstract

Nettverksbuebrua er allerede et materialeffektivt valg for bygging av nye bruer. For å videre effektivisere materialbruken for nettverksbuebrua, er det i denne oppgaven blitt sett på vinklingen av kablene, og hvordan disse påvirker kraftens gang i konstruksjonen. Det var allerede antatt at ideell vinkling av kablene mot buen var 53 grader. Vinkler buttere enn dette var antatt å gi dårlig fordeling av krefter over buen, mens spissere vinkler kunne gi uønskede krefter.

En nettverksbue består av en bue og et spennbånd, med kabler som spenner mellom disse. Spennbåndet er sammenføyd med bueendene, slik at buen ikke spriker ut når den blir påført last. I nettverksbuebrua ligger en nettveksbue på hver side av brudekket. Brudekket kan enten fungere som spennbåndet i konstruksjonen, eller det kan ligge på tverrbærere som spenner mellom spennbånd som er utført i rørtverrsnitt av stål.

Det som skiller nettverksbuebrua fra andre buebruer, er at noen av kablene som spenner mellom buen og dekket krysser hverandre minst to ganger. Dette er ment å fordele lastene fra brudekket over buen i større grad enn hva for eksempel loddrette kabler vil gjøre. Dette spiller på buens gode evne til å ta jevnt fordelte laster i motsetning til skjevfordelte punktlaster. Skjevfordelte punktlaster kan føre til ustabilitet i buen, og dermed større utbøyninger og kollaps av buen.

Tre ulike lasttilfeller ble definert for kontroll av todimensjonale modeller som ble laget i SAP2000. Modellene innbefattet 48, 53, 58, 63, 68 og 73 graders vinkling av kablene mot buen, samt tre modeller for bevis av konseptet nettverksbuebru som igjen innbefattet Forra bru, Nielsen-Lohse bru og en bru med loddrette kabler.

Moment, aksial- og skjærkrefter ble hentet ut av analysene i SAP2000. Utnyttelsesgrad ble så regnet ut med Von Mises flytekriterium for å få et helhetlig bilde av kreftenes virkning på tverrsnittet, og dermed hvilke tilfeller av kabelgeometri som ga best mulighet for materialbesparelse.

Det ble funnet at 58 graders vinkling av kablene mot buen ga den mest fordelaktige fordelingen av krefter i buen, uten å i større grad påføre uønskede krefter. Dette gir muligheten for mest mulig effektiv bruk av materialer i konstruksjonen.

The network arch bridge is already a material efficient choice when building new bridges. This report investigates the opportunities to further improve its material efficiency by changing the cable angles, and experiencing how this affects the forces in the structure. There was already an assumption that 53 degrees was an ideal angle between the cables and the arch. Angles more obtuse than this was assumed to give a poor distribution of forces across the arch, while more acute angles have the potential to introduce unwanted forces.

A network arch consists of an arch and a tie, with cables going between them. The tie is connected to the arch ends so that they do not glide out and the arch collapse. In the network arch bridge there is one network arch on either side of the bridge deck. The bridge deck can both work as the tie itself, or it can be supported by transverse beams that span between steel pipes that make the tie.

What separates the network arch bridge from other arch bridges is that some of the cables that span between the arch and the tie cross at least twice. This is meant to distribute the loads on the bridge deck over a greater area in the arches compared to for example an arch bridge with vertical cables. This utilizes the fact that the arch benefits from an evenly distributed load compared to concentrated loads. Concentrated loads can lead to instability, bending deformation and collapse of the arch.

Three different load cases were defined for control of two-dimensional models that were made with SAP2000. The models included 48, 53, 58, 63, 68 and 73 degrees between the cables and the arch, together with three models that were made for proof of concept for the network arch bridge including Forra bru, Nielsen-Lohse bru and an arch bridge with vertical cables.

Bending moments, axial- and shear forces were collected from the analysis done in SAP2000. The degree of utilization was then calculated according to von Mises yield criterion to get an impression of the interactions between the forces, and thereby what cable angles gave the best possibilities for material savings.

58 degrees between the cables and the arch proved to give the most favorable interaction between forces, and the lowest degree of utilization. This opens the opportunity for an efficient use of materials in the structure.