Browsing by Author "Meiss, Kathy Ursula"

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Anwendung von Strukturoptimierungsmethoden auf den Entwurf mehrfeldriger Schrägseilbrücken und Extradosed Bridges
(2007) Meiss, Kathy Ursula; Schlaich, Jörg (em. Prof. Dr.-Ing. Drs. h.c. )
Der Entwurf einer Brücke ist von einer Vielzahl technischer Anforderungen, der Wirtschaftlichkeit und nicht zuletzt der Gestaltung beeinflusst. In der Regel ist es unmöglich, eine optimale Lösung für alle möglichen Anwendungsfälle anzugeben, sehr wohl aber kann für jede einzelne Situation der Entwurf entsprechend den jeweiligen Anforderungen optimiert werden. Hierzu wird normalerweise ein grobes Konzept entwickelt, welches mit Hilfe von Parameterstudien so lange verbessert wird, bis der Entwurf den individuellen Kriterien genügt. Ist das Entwurfsziel mathematisch beschreibbar, kann dieser iterative Prozess durch die Methoden der Strukturoptimierung wirkungsvoll unterstützt und die Planungszeit dadurch verkürzt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird am Beispiel mehrfeldriger Schrägseilbrücken und Extradosed Bridges gezeigt, wie die Techniken der Strukturoptimierung den Ingenieur effektiv beim Entwurf unterstützen können und wo derzeit noch ihre Grenzen liegen. Bei den Extradosed Bridges handelt es sich um ein neuartiges Brückensystem, das sich in den letzten Jahren vor allem in Japan etabliert hat. Extradosed Bridges stellen sowohl in konstruktiver Hinsicht als auch vom Tragverhalten her einen nahtlosen Übergang zwischen extern vorgespannten Balkenbrücken und mehrfeldrigen Schrägseilbrücken dar. Sie erschließen den Spannweitenbereich zwischen 150 und 250m, in dem Balkenbrücken beginnen unwirtschaftlich zu werden, während die wirtschaftlichen Vorteile einer Schrägseilbrücke noch nicht zum Tragen kommen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist, das Trag- und Verformungsverhalten der Extradosed Bridges im Vergleich zu extern vorgespannten Balkenbrücken und mehrfeldrigen Schrägseilbrücken zu untersuchen, Unterschiede herauszuarbeiten und darauf aufbauend Konstruktions- und Bemessungsempfehlungen abzuleiten. Dies erfolgt zunächst mit Hilfe konventioneller Parameterstudien, durch die der Einfluss der Abmessungs- und Steifigkeitsverhältnisse der primären Bauteile auf das Tragverhalten herausgearbeitet wird. Ein weiterer Gegenstand der Untersuchungen ist der Vergleich der verschiedenen Aussteifungssysteme mehrfeldriger Schrägseilbrücken, insbesondere der verschiedenen Aussteifungsseilkonfigurationen. Ergänzend zu den Parameterstudien werden Methoden der Strukturoptimierung eingesetzt, um den Entwurf mehrfeldriger Schrägseilbrücken und Extradosed Bridges zielgerichtet zu verbessern. Zunächst wird die optimale Topologie der Brücke unter vorgegebenen Randbedingungen bestimmt. Des Weiteren werden die Pylonform und die Anordnung der Aussteifungsseile mit dem Ziel einer maximalen Aussteifungswirkung optimiert. Im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit wird außerdem eine Form- und Querschnittsoptimierung der Extradosed Bridges zur Minimierung der Gesamtkosten für verschiedene Spannweiten, vorgegebene maximale Verformungen, zulässige Spannungsänderungen in den Seilen und unterschiedliche Einheitspreise durchgeführt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Erstellung eines einheitlichen Bemessungskonzeptes für externe Spannglieder, den Seilen von Extradosed Bridges und Schrägseilen. Dabei wird die Frage geklärt, wie hoch insbesondere die ermüdungswirksamen Beanspruchungen der Seile der Extradosed Bridges in Abhängigkeit von den Abmessungs- und Steifigkeitsverhältnissen im Tragwerk und der konstruktiven Durchbildung sind, und ob die in Japan zulässigen hohen Ausnutzungsgrade der Spannglieder gerechtfertigt sind.