Kotelorakenteisen teräskaarisillan stabiiliusanalyysi

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2023-01-23
Department
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Building Technology (CIV)
Language
fi
Pages
74 + 5
Series
Abstract
Kaaret kantavat kuormia pääosin puristusvoimalla, joten ne ovat tehokkaita suoriin palkkeihin verrattuna. Kaaren muodon voi iteroida taivutusmomentittomaksi halutulle kuormitukselle rakenteen puristusviivaa hyödyntämällä. Optimointi voi kuitenkin johtaa hoikkaan rakenteeseen, joka on altis stabiiliusongelmille. Siltojen kuormat ovat verrattain suuria, jolloin kaaren stabiiliuden tutkimisen tärkeys korostuu. Diplomityön tavoitteena on selvittää kaarisillan toimintaperiaatetta ja stabiiliutta, erityisesti kun kyseessä on teräslevyistä hitsattu kotelopalkki. Tutkimus sisältää kirjallisuustutkimuksen ja soveltavan tapaustutkimuksen. Kirjallisuustutkimuksessa käsitellään rakenneanalyysiä ja kaarirakenteille ominaisia epästabiiliusmuotoja. Muun muassa kaaren globaali tasonurjahdus, tasosta poispäin suuntautuva nurjahdus tai lokaalit lommahdukset voivat rajoittaa kapasiteettia. Tutkimuksen laskentaosuus on kaksiosainen. Laskentaosissa tavoitteena on löytää kaarille määräävät nurjahdusmuodot ja niitä vastaavat kriittisten kuormakertoimien arvot. Ensiksi verrataan kaksinivelkaarelle laskettuja numeerisia FEM-tuloksia eurokoodin SFS-EN 1993-2 analyyttisten nurjahduskaavojen tuloksiin. Rakennemallien luotettavuutta tutkitaan sauva- ja kuorimalleilla. Tulosten mukaan nurjahdusvoimissa ei ollut ristiriitoja käytetyillä elementtimäärillä tai elementtiverkoilla. Sovellusosassa teräskaarisillalle suoritetaan lineaarinen nurjahdusanalyysi ja vertaillaan rakennemalleja RFEM-ohjelmalla ja sen lisämoduuleilla. Lisäksi tehdään geometrisesti epälineaarinen nurjahdusanalyysi, jossa otetaan huomioon alkuepätarkkuudet. Lineaarisen analyysin tuloksena saadaan johdonmukaiset kuormakertoimien arvot sekä tarkalla että yksinkertaisella FEM-mallilla. Likimain samat nurjahdusmuodot kyetään löytämään sauva- ja kuorimalleista. Tutkituilla kuormilla määrääväksi tulee useimmiten kaaren tasosta poispäin suuntautuva nurjahdus. Saatuja tuloksia ja havaintoja voi käyttää globaalien ja lokaalien stabiiliusongelmien tunnistamiseen siltasuunnittelussa.

In arches, loads are carried mainly by compressive forces which makes them efficient in comparison to straight beams. For each load, it is possible to find a form corresponding to the compression line of a momentless structure. However, optimization can result in a slender structure that is prone to instability. The importance of verifying the stability is crucial in the design of bridge structures. This thesis aims to investigate the structural behaviour and stability of arch bridges with focus on welded box sections. Methods include a literature review and a case study. The literature review covers structural analysis and buckling modes related to arches. For example, in-plane and out-of-plane buckling of the arch as well as local buckling may limit the capacity. The calculation part is divided into two parts. The goal is to find the buckling mode shapes and the corresponding values of the critical load factors. In the first phase, numerical FEM results calculated for a two-hinged arch are compared with analytical buckling formulas given in the Eurocode SFS-EN 1993-2. The reliability of the finite element models is examined between the beam and shell models. The conclusion is that the buckling results are consistent with the number of beam elements or FE mesh used. In the case study, a linear buckling analysis is performed for a steel arch bridge and different FEM-models are compared using RFEM calculation program and its add-on modules. Also, a geometrically nonlinear buckling analysis with imperfections is performed. The main results of the linear analysis are that the models produce similar values of critical load factors for both the accurate and simplified FEM-models. Approximately the same buckling mode shapes are found with the beam and shell models. In most cases, the out-of-plane buckling is found to be dominant with the studied loads. The obtained results and observations can be used to identify global and local stability problems in bridge design.
Description
Supervisor
Niiranen, Jarkko
Thesis advisor
Hassinen, Paavo
Keywords
kaarisilta, stabiilius, elementtimenetelmä, nurjahdus, lommahdus, kriittinen kuormakerroin
Other note
Citation