| dc.description.abstract | Nettverksbuebroer er brukonstruksjoner som kan krysse store spenn der det kreves mindre nødvendig materiale sammenlignet med andre brukonsepter grunnet den veldig gunstige lastfordelingen som oppnås. De fleste nettverksbuebroer som bygges i dag benytter stål i buene og betong i dekket. Begge disse materialene har en negativ innvirkning på klimaet ettersom det er knyttet store klimagassutslipp til produksjonen. Det er derfor ønsket å benytte tre til å konstruere både buene og dekket i brukonseptet.
I en forskjøvet lastsituasjon kan noen av hengerne som bærer brudekket bli avlastet slik at de er i en avslappet tilstand. Dette kan skje ettersom avstanden mellom innfestingen til hengerne ved buen og dekket blir redusert slik at hengerne må bøyes ut for å ta høyde for den reduserte avstanden. Ved omfattende relaksasjon kan større momenter bli introdusert i hengerne ettersom de får en krumning. Bruer er konstant lastet og avlastet, noe som kan gjøre utmatting av hengerne problematisk grunnet krumningen de får. Et tungt betongdekke kan gjøre at hengerne er i konstant strekk, slik at relaksasjon kan unngås. Dersom et tredekke hadde blitt brukt ville ikke hengerne fått tilstrekkelig forspenning fra dekket grunnet den lave tettheten til tre.
Denne masteroppgaven undersøker muligheten til å løse krumningsproblemet ved å introdusere et rotasjonsfritt ledd langs hengeren slik at hengerne er leddet i tre punkter. Et slikt ledd ville bøyd hengerne kontrollert ut under relaksasjon uten å få den problematiske krumningen. En slik løsning kan vise seg vanskelig å modellere med elementmetoden ettersom stivhetsmatrisen vil være singulær da stivlegemebevegelse ikke er fastholdt i form av rotasjon. Problemet ble foreslått løst ved å introduser ekstra elementer med veldig lav stivhet som ble festet rotasjonsstivt til endepunktene av treleddsstavene. En slik løsning kan føre til ugunstig konstruksjonsoppførsel. Det ble derfor gjort mange analyser av forskjellige konstruksjonsgeometrier der lokasjonen til leddet ble endret. Bue- og hengerrespons ble notert. Dette ble gjort ved å skrive et parametrisk script som definerte elementmodellen, og beregninger ble gjort i Abaqus. Både en nettverksbuebro med og uten strekkbånd ble analysert.
Studien fant ut at bueoppførsel var avhengig av leddplassering når hengerne var tilegnet en grov mesh. Momenter, spenninger, og grad av utbøying av buen varierte i stor grad ved en endring av leddplassering. I tillegg oppstod det store trykkrefter og momenter i hengerne. Ved en fin mesh av hengerne var ikke lenger bueoppførsel avhengig av leddplassering. Trykkreftene i hengerne ble redusert betraktelig, men de var fortatte signifikante. Momenter ble også funnet i hengerne i alle analysene når hengerne var i en avslappet tilstand. Det ble derfor konkludert med at løsningen på nullstivhetsproblemet ikke var tilstrekkelig slik den var foreslått. På den andre siden viste løsning lovende resultater i en lastsituasjon der alle hengerne var i strekk. | |
| dc.description.abstract | Network Arch Bridges are structures capable of covering long spans with a reduced amount of necessary material compared to other bridge concepts due to their very favourable distribution of forces. Most network bridges are built by using steel for the arches and a heavy concrete slab for the deck. Unfortunately, concrete and steel both have a negative impact on climate due to emissions during production of the materials. It is therefore pursued to use timber for both the arches and bridge deck.
When the loading is skew, some of the hangers in the hanger pattern may be unloaded, meaning that they are in a relaxed state. This may happen as the fastening points of the hangers are brought closer together, resulting in the hangers having to curve outwards. During extensive relaxation, larger moments may be introduced in the hangers due to the curvature they obtain. As a bridge is consistently loaded and unloaded, fatigue may become a problem in the hangers. A heavy concrete deck is often used as it pre-stresses the hangers sufficiently so that extensive relaxation may be avoided. However, using a light timber deck instead would cause extensive relaxation as timber does not have sufficient density to pre-stress the hangers. Therefore, a light timber deck has been deemed incompatible with the network arch bridge concept.
This thesis proposed to solve the relaxation phenomenon of the hangers when a light timber deck is used by introducing a rotationally free hinge along the hanger. The hangers would then be hinged at their connection to the arch and bridge deck, but also somewhere along the instance. Such a hinge would deflect the hangers in a controlled manner without causing the unfavourable bending moments as curvatures are removed. On the other hand, a challenge arises when the hinged hanger solution is implemented in Finite Element Modelling as it results in a singular stiffness matrix since Rigid Body motion is not prevented. The Zero Stiffness Problem was proposed solved by introducing extra hanger elements with very low stiffness, and rotationally restrain them to the hinged hangers so that the stiffness matrix would be non-zero. Such a solution may cause the structure to respond unfavourable. Therefore, multiple analyses of how the proposed solution influenced arch- and hanger behaviour during relaxation were conducted. Parametric Python scripting was applied to describe the Finite Element model, and calculations were ran in Abaqus. Both an untied and tied Network Arch were analysed.
Many bridge configurations were analysed with a variation of the hinge location on the hangers. The study found that when the hangers were meshed very coarsely, moments, stresses and deflections fluctuated significantly in the arches when the hinge location was changed. Furthermore, large compression forces and moments were found in the hangers. On the other hand, the study found that a fine mesh of the hanger instances produced a very stable arch response, meaning that moments, stresses, and deflections were not influenced by a change in hinge location. However, even with the very fine mesh, the proposed solution was not able to avoid moments in the hangers. Furthermore, unacceptable compression forces were found in the hangers. This was true for all analyses when the hangers relaxed. In its proposed form, the solution to the Zero Stiffness Problem had to be discarded due to the very unfavourable moments and compression forces that occurred in the hangers. On the other hand, the solution displayed promising results when all the hangers were in tension as very small moments were found in the hangers. | |