Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-283
Authors: Meiss, Kathy Ursula
Title: Anwendung von Strukturoptimierungsmethoden auf den Entwurf mehrfeldriger Schrägseilbrücken und Extradosed Bridges
Other Titles: Structural optimization of multispan cable-stayed bridges and extradosed bridges
Issue Date: 2007
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-35363
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/300
http://dx.doi.org/10.18419/opus-283
ISBN: 978-3-86186-547-6
Abstract: 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.
The design of bridges is influenced by a variety of technical requirements as well as by economical and aesthetical aspects. Generally it is not possible to find a unique optimal solution for all possible applications. However, the design can be optimized for every individual situation. During the design process usually a rough concept is being developed first. This concept will be refined and improved by means of parametric studies in order to meet the individual requirements. In case the design criteria can be described mathematically, this iterative process may be supported effectively by methods of structural optimization. Hence the period required for design can be cut down. The present thesis shows the effectiveness and the limits of structural optimization methods on the design of multispan cable-stayed bridges and extradosed bridges. Extradosed bridges are a new structural type of bridge that has been developed mainly in Japan during the last few years. Regarding construction and load-bearing behaviour extradosed bridges represent a seamless transition between external prestressed concrete girder bridges and multispan cable-stayed bridges. They cover the span range between 150 and 250m where prestressed concrete girder bridges become already uneconomic whereas the economic advantages of cable-stayed bridges cannot be achieved yet. Primarily the aim of this thesis is to investigate both the load bearing behaviour as well as the deformational behaviour of extradosed bridges compared to those of externally prestressed concrete girder bridges and multispan cable-stayed bridges. Hence it is possible to identify differences and to deduce design recommendations therefrom. This will be effected initially by using conventional parametric studies wherein in particular the influence of the dimension and stiffness ratios of the primary members is investigated. Another subject of investigation is the comparison of the different stiffening systems for multispan cable-stayed bridges, especially the different arrangements of stiffening cables. Methods of structural optimization are used in order to improve the design of multispan cable-stayed bridges and extradosed bridges in addition to the parametric studies. At first the optimal topology of the bridge regarding specific boundary conditions is determined. Furthermore the pylon shape and the arrangement of stiffening cables are optimized aiming at the maximum stiffening effort. Regarding the economy a form and shape optimization of the extradosed bridges is carried out in order to minimize the total cost of the bridge superstructure. Herein various span length, maximum allowable deformations and stress changes in the cables as well as different unit prices are considered. Another focus of this thesis is the development of a uniform design concept for external prestressing, extradosed prestress and stay cables consisting of strands or individual wires. In this context the stress level of the cables especially under fatigue loading depending on the dimensions and stiffness ratios of the structural members is investigated. Thus it is clarified whether the higher level of utilization for extradosed prestress as allowed in Japan is justified or not.
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