56.23 Brückenbau
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Wind effects can be critical for the design of lifelines such as long-span bridges. The existence of a significant number of aerodynamic force models, used to assess the performance of bridges, poses an important question regarding their comparison and validation. This study utilizes a unified set of metrics for a quantitative comparison of time-histories in bridge aerodynamics with a host of characteristics. Accordingly, nine comparison metrics are included to quantify the discrepancies in local and global signal features such as phase, time-varying frequency and magnitude content, probability density, nonstationarity and nonlinearity. Among these, seven metrics available in the literature are introduced after recasting them for time-histories associated with bridge aerodynamics. Two additional metrics are established to overcome the shortcomings of the existing metrics. The performance of the comparison metrics is first assessed using generic signals with prescribed signal features. Subsequently, the metrics are applied to a practical example from bridge aerodynamics to quantify the discrepancies in the aerodynamic forces and response based on numerical and semi-analytical aerodynamic models. In this context, it is demonstrated how a discussion based on the set of comparison metrics presented here can aid a model evaluation by offering deeper insight. The outcome of the study is intended to provide a framework for quantitative comparison and validation of aerodynamic models based on the underlying physics of fluid-structure interaction. Immediate further applications are expected for the comparison of time-histories that are simulated by data-driven approaches.
A categorical perspective towards aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridge decks
(2019)
Reliable modelling in structural engineering is crucial for the serviceability and safety of structures. A huge variety of aerodynamic models for aeroelastic analyses of bridges poses natural questions on their complexity and thus, quality. Moreover, a direct comparison of aerodynamic models is typically either not possible or senseless, as the models can be based on very different physical assumptions. Therefore, to address the question of principal comparability and complexity of models, a more abstract approach, accounting for the effect of basic physical assumptions, is necessary.
This paper presents an application of a recently introduced category theory-based modelling approach to a diverse set of models from bridge aerodynamics. Initially, the categorical approach is extended to allow an adequate description of aerodynamic models. Complexity of the selected aerodynamic models is evaluated, based on which model comparability is established. Finally, the utility of the approach for model comparison and characterisation is demonstrated on an illustrative example from bridge aeroelasticity. The outcome of this study is intended to serve as an alternative framework for model comparison and impact future model assessment studies of mathematical models for engineering applications.
The phenomenon of aerodynamic instability caused by the wind is usually a major design criterion for long-span cable-supported bridges. If the wind speed exceeds the critical flutter speed of the bridge, this constitutes an Ultimate Limit State. The prediction of the flutter boundary, therefore, requires accurate and robust models. The complexity and uncertainty of models for such engineering problems demand strategies for model assessment. This study is an attempt to use the concepts of sensitivity and uncertainty analyses to assess the aeroelastic instability prediction models for long-span bridges. The state-of-the-art theory concerning the determination of the flutter stability limit is presented. Since flutter is a coupling of aerodynamic forcing with a structural dynamics problem, different types and classes of structural and aerodynamic models can be combined to study the interaction. Here, both numerical approaches and analytical models are utilised and coupled in different ways to assess the prediction quality of the coupled model.
Stonecutters and Sutong Bridge have pushed the world record for main span length of cable-stayed bridges to over 1000m. The design of these bridges, both located in typhoon prone regions, is strongly influenced by wind effects during their erection. Rigorous wind tunnel test programmes have been devised and executed to determine the aerodynamic behaviour of the structures in the most critical erection conditions. Testing was augmented by analytical and numerical analyses to verify the safety of the structures throughout construction and to ensure that no serviceability problems would affect the erection process. This paper outlines the wind properties assumed for the bridge sites, the experimental test programme with some of its results, the dynamic properties of the bridges during free cantilevering erection and the assessment of their aerodynamic performance. Along the way, it discusses the similarities and some revealing differences between the two bridges in terms of their dynamic response to wind action.
Anhand der Dehnung der Schiene, welche entsteht, sobald ein Zug sie überfährt, kann man auf das Gewicht der jeweiligen Achse zurückschließen. Es fällt auf, dass die Achsen mit zunehmender Geschwindigkeit leichter werden. In dieser Arbeit wird untersucht, ob diesem Auftreten durch Bearbeitung der Rohdaten mit verschiedenen Methoden des Smoothing (Glätten) entgegengewirkt werden kann.
Bridge vibration due to traffic loading has been a subject of extensive research in the last decades. The focus of such research has been to develop solution algorithms and investigate responses or behaviors of interest. However, proving the quality and reliability of the model output in structural engineering has become a topic of increasing importance. Therefore, this study is an attempt to extend concepts of uncertainty and sensitivity analyses to assess the dynamic response of a coupled model in bridge engineering considering time-dependent vehicular loading. A setting for the sensitivity analysis is proposed, which enables performing the sensitivity analysis considering random stochastic processes. The classical and proposed sensitivity settings are used to identify the relevant input parameters and models that have the most influence on the variance of the dynamic response. The sensitivity analysis exercises the model itself and extracts results without the need for measurements or reference solutions; however, it does not offer a means of ranking the coupled models studied. Therefore, concepts of total uncertainty are employed to rank the coupled models studied according to their fitness in describing the dynamic problem.
The proposed procedures are applied in two examples to assess the output of coupled subsystems and coupled partial models in bridge engineering considering the passage of a heavy vehicle at various speeds.
In dieser Diplomarbeit mit dem Thema „Modellierung von Fußgängerbrücken aus faserverstärktem Kunststoff“ wird ein Tragwerk aus glasfaserverstärktem Kunststoff für eine Fußgängerbrücke mit 10,0 m Stützweite entwickelt, untersucht und hinsichtlich der Dimensionierung und Konstruktion analysiert. Inhaltlich wird hierzu in den Vorbetrachtungen zum Thema auf vorhandene Beispiele für Brückentragwerke aus faserverstärkten Kunststoffen eingegangen. Es werden die im Rahmen der Diplomarbeit wichtigen Sachverhalte hinsichtlich des Materials der faserverstärkten Kunststoffe (FVK) und auch die erforderlichen Grundlagen für die Berechnungen gegeben. Nach der Vorstellung verschiedener Ideen für Tragwerksquerschnitte erfolgt als Schwerpunkt der Diplomarbeit die rechnergestützte Modellierung und Berechnung einer Vorzugsvariante sowie die Auswertung und Analyse der Berechnungsergebnisse. Abschließend wird das entwickelte Tragwerk bewertet und es werden weitere Entwicklungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Ziel der Arbeit ist es, einen Beitrag zur Weiterentwicklung und Adaption der Holz-Beton-Verbundbauweise auf den Straßenbrückenbau zu leisten. Dabei stehen differenzierte Untersuchungen zum Trag- und Verformungsverhalten hybrider Holzbrückentragwerke sowie die Entwicklung geeigneter Verbundelemente im Vordergrund. Um die Einführung dieser innovativen Bauweise in der Praxis zu unterstützen, werden Bemessungs- und Konstruktionshinweise erarbeitet. Aufbauend auf eine Analyse des derzeitigen Forschungs- und Entwicklungsstandes auf dem Gebiet des Holz-Beton-Verbundbaus erfolgt die Untersuchung des Trag- und Verformungsverhaltens von Holz-Beton-Verbundbrücken anhand einer umfangreichen Parameterstudie. Dabei wird der Einfluss verschiedener Geometrie- und Steifigkeitsparameter auf die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit von Holz-Beton-Verbundbrücken quantifiziert. Spezielle Untersuchungen dienen der Evaluation der Ermüdungssicherheit und der Ermittlung der Steifigkeitsdegradation unter Langzeitbeanspruchung auf der Basis einer realitätsnahen Abbildung des differenten zeit- und klimaabhängigen Tragverhaltens der Verbundbaustoffe. Praxisgerechte Empfehlungen für die optimierte konstruktive Durchbildung hybrider Holzbrückentragwerke fassen die Ergebnisse der Parameterstudie zusammen. Aus den Parameteranalysen leitet sich ein Anforderungsprofil bezüglich der Steifigkeit und Tragfähigkeit geeigneter Verbundelemente für den Straßenbrückenbau ab. Das Tragverhalten von drei ausgewählten Verbundelementtypen, welche diesem Profil entsprechen, wird anhand systematischer Scherversuche unter Kurzzeit-, Langzeit- und dynamischer Belastung analysiert. Aufbauend auf diese Testreihen werden weiterführende umfangreiche Versuchsserien mit dem Verbundelement Dübelleiste zur Bestimmung der mechanischen Kennwerte und zur Analyse des Gesamttragverhaltens vorgestellt. In Auswertung der umfangreichen Bauteilversuche und rechnerischer Simulationen auf der Basis Finiter-Elemente-Modelle wird ein Bemessungskonzept erarbeitet und die Eignung des Verbundelementes Dübelleiste für den Einsatz im Hybridbrückenbau nachgewiesen.
Es wird die Geschichte des Spannbetons im Brückenbau wiedergegeben. Hierzu wird unter anderem ein Normenvergleich zum Thema Spannbeton aufgestellt. Desweiteren wird erläutert, was die Grundlagen für die Nachrechnung bestehender Brücken sind. Für die Brücke über die Saale bei Jena-Kunitz wird ein Beprobungskonzept mit zerstörenden Prüfungen erstellt. Die erhaltenen Proben sollen in Labortests weiter untersucht werden. Die durch die Beprobung entstehenden Schädigungen sollen zu weiteren Messungen an der Brücke genutzt werden. Die Schädigungszustände werden statisch nachgewiesen. Zum Schluss werden Hinweise für den geplanten Abriss der Brücke gegeben.