A Parametric Study of Timber Network Arch Bridges with Timber Deck on Transversal Crossbeams
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3090913Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Nettverksbuebroer er en strukturelt effektiv løsning for ̊a dekke lange spenn og minimere ma-terialbruk p ̊a grunn av den gunstige fordelingen av bøyemoment. Tradisjonelt sett benyttesst ̊albuer i kombinasjon med et betongdekke i nettverksbuebroer. Disse materialene har en betydeligklimap ̊avirkning, i motsetning til tre.Denne masteroppgaven undersøker og optimaliserer ulike konsepter for nettverksbuebroer medtre som hovedmateriale. M ̊alet er ̊a muliggjøre lange spenn, samtidig som antallet forbindelserlangs buen minimeres for ̊a øke bestandigheten mens den strukturelle integriteten opprettholdes.Oppgaven utforsker ogs ̊a den strukturelle p ̊avirkningen av ̊a innføre skjøter i buene. I tilleggforesl ̊as nye design for ̊a regulere fordelingen av bøyemoment langs buene og i enden av buene.En fullstendig parametrisk modell er utviklet for ̊a utforske ulike designkonfigurasjoner ved hjelp avGrasshopper og Karamba3D. En flerobjektiv optimaliseringsmetode ved bruk av Octopus benyttesfor ̊a optimalisere ulike designkonfigurasjoner. Undersøkelsene inkluderer ulike spennlengder, settmed hengere og design som inkorporerer skjøter, alternative hjørnedesign og skr ̊astilte buer.Ved ̊a lene buene mot hverandre, øker stivheten mot utbøying. Som et resultat er det mindrebehov for vindavstivning, noe som reduserer materialkostnader og antall eksponerte forbindelser,og dermed øker broens bestandighet. I tillegg viste studien at ved ̊a kombinere bestemte hengerfor-bindelser p ̊a den nedre kanten av buen, kunne det totale antallet reduseres med 1/3 uten ̊a p ̊avirkeden strukturelle ytelsen. Simuleringer indikerte en optimal hengervinkel mellom 43 og 47 grader.Ved skjevbelastning kan noen hengere bli ubelastet, noe som betyr at de blir avslappet. Dette kanføre til en ugunstig fordeling av bøyemoment. Avslapping av hengere kan være en større utfordringmed skr ̊astilte buer p ̊a 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 tverrsnit-tet til buene mellom 1,5 og 2. Antallet skjøter i buene hadde en merkbar effekt p ̊a knekking, menhadde ubetydelig innflytelse p ̊a andre objektiver. Implementering av skjøter i buene økte verdien avdesign-sjekkene, mens antallet skjøter viste en ubetydelig forskjell. Totalt sett var den strukturelleoppførselen tilfredsstillende. I tillegg ble det implementert økende buehøyde mot opplagerne. Enjustering av høyden førte til betydelig endring fordelingen av bøyemoment.Denne studien fungerer som en mulighetsstudie av nettverksbuebroer med tre som materiale, oggir 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.