Influence of the type of numerical model a prestressed concrete bridge on the determination of its internal forces and displacements

• Autorzy: Oleszek Radosław , Radomski Wojciech , Nowak Krzysztof

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.148905

Warianty tytułu

PL

Wpływ klasy modelu numerycznego mostu z betonu sprężonego na wyznaczane wielkości statyczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Static analyses of bridge structures are currently performed using the finite element method (FEM). Depending on the geometry of the structure and the technically required accuracy of calculations, different levels of discretization of these structures are used in their design. In the design process, beam grillage models (denoted e1, p2), shell models (denoted e2, p2) or shell-beam models (denoted e1+ e2, p3) are often used. Solid models (denoted e3+ p3) are mostly used in advanced analyses, having frequently a scientific character. It is shown that there is an impact of the applied types of the numerical model (i.e., degree of complexity, degree of discretization, accuracy of the model) of the road bridge on the calculated values of bending moments and displacements, which indirectly affects the global safety coefficient of the designed bridge structure. The main purpose of the calculations is to examine the discrepancies of analyzed internal forces and displacements depending of the type of numerical model used. The calculated values are referred to the results taken from the field tests of the existing bridge denoted MS 03, which is a continuous beam structure with the three spans 37:50 + 46:75 + 37:50 m made of prestressed concrete and with variable beam depth. On the basis of numerical simulations, the paper provides author’s recommendations for computer modeling of similar bridges.

PL

Analizy statyczne konstrukcji mostowych są obecnie wykonywane metodą elementów skończonych (MES). W zależności od geometrii konstrukcji i wymaganej technicznie dokładności obliczeń, w projektowaniu i analizie statycznej obiektów mostowych stosuje się różne poziomy dyskretyzacji tych struktur. W projektowaniu często stosowane bywają modele rusztowe (klasy e1, p2), powłokowo-belkowe (klasy e1 + e2, p3) ewentualnie powłokowe (klasy e2, p2). Modele bryłowe stosuje się przeważnie w zaawansowanych analizach, także o charakterze naukowym. W pracy wykazano, że istnieje wpływ przyjętej klasy modelu numerycznego wiaduktu drogowego (stopień skomplikowania, dyskretyzacji, dokładność modelu) na otrzymywane wartości momentów zginających i przemieszczeń oraz ich różnice, co pośrednio wpływa na współczynnik globalnej rezerwy bezpieczeństwa projektowanej konstrukcji mostowej. Głównym celem obliczeń było zbadanie rozbieżności oszacowanych wielkości statycznych między modelami o różnej dokładności, a przeprowadzone symulacje komputerowe mają charakter eksperymentu numerycznego. Wykonane obliczenia nawiązywały do wyników uzyskanych podczas badan odbiorczych obiektu pod próbnym obciążeniem. Przedmiotem analiz porównawczych był most MS-03, który jest konstrukcją płytowo-belkową z betonu sprężonego o schemacie belki ciągłej trójprzęsłowej o rozpiętościach przęseł37,50 + 48,75 + 37,50 m i zmiennej wysokości belek. W pracy wykonano trzy modele obiektu w środowisku MES SOFiSTiK: rusztowy w dwóch wariantach (R-1 i R-2 klasy e1, p2) i mieszany powłokowo-belkowy (PB, klasy e1+e2, p2). Obliczenia porównawcze badanego obiektu przeprowadzono w celu określenia wpływu klasy modelu numerycznego (rusztowy, mieszany belkowo-powłokowy) na rozdział poprzeczny obciążenia użytego podczas badan odbiorczych (część obciążenia przypadająca na pojedynczy dźwigar) i wygenerowane wielkości statyczne (momenty zginające, przemieszczenia) oraz oszacowania wpływu sposobu modelowania odcinka utwierdzenia płyty pomostowej w środnikach dźwigarów, pełniącej rolę elementu stężającego belki nośne na rozdział poprzeczny obciążenia. Na podstawie przeprowadzonych obliczeń porównawczych mostu, za pomocą trzech modeli numerycznych (rusztowych R-1 i R-2 oraz powłokowo-belkowego PB) należy stwierdzić, że wpływ klasy modelu MES (stopnia dyskretyzacji) jest średnio znaczący, tj. rozbieżności oszacowanych wielkości statycznych zawierają się w przedziale 15-25%. W przypadku momentów zginających My od obciążeń ruchomych przy jednostronnym przeciążeniu przęsła, z uwagi na rozdział poprzeczny obciążenia, rozbieżności wyników między odwzorowaniami osiągają maksymalnie 19,1%. Zastosowanie modeli o różnym stopniu dyskretyzacji powoduje, że różnice wyników od obciążeń ruchomych ustawionych niesymetrycznie w przekroju przęsła przekraczaj ą 15%, a więc wartość zwyczajowo uznawaną w obliczeniach inżynierskich za akceptowaną granicę błędu. W przypadku odwzorowań rusztowych R-1 i R-2 efekt uwzględnienia lub nieuwzględnienia szerokości środników belek trapezowych (tzw. odcinek utwierdzenia płyty pomostu) na efektywną rozpiętość płyty pomostu oraz rozdział poprzeczny obciążenia jednostronnego (niesymetrycznego) wiąże się z rozbieżnościami momentów zginających w zakresie 7,6-10,9%. Różnice wartości My od obciążeń ruchomych nie przekraczaj ą 15%, co oznacza, że wpływ sposobu modelowania szerokości środników (lub pominięcie odwzorowania ich szerokości) jest w omawianej konstrukcji mało znaczący. Wpływ tego aspektu modelowania przęseł o szerokich środnikach na ostateczne wyniki (np. obwiednie Myº będzie jeszcze mniejszy po uwzględnieniu pozostałych obciążeń obiektu. Na podstawie przeprowadzonych symulacji numerycznych w pracy podano rekomendacje autorskie dotyczące komputerowego modelowania podobnych obiektów.

Słowa kluczowe

EN

numerical models; computer analysis of superstructure; prestressed concrete bridge; transverse distribution of loads

PL

mosty z betonu sprężonego; analiza komputerowa przęsła; rozdział poprzeczny obciążenia; model numeryczny mostu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 1
• Strony: 155--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Oleszek Radosław

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1036-329X

autor

Radomski Wojciech

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-3404-6109

autor

Nowak Krzysztof

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Al. Armii Ludowej 16, 00-637 Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-4079-6579

Bibliografia

• [1] Ł. Chełstowski, R. Oleszek, and W. Radomski, “The modelling possibilities of two beams spans concrete bridges”, Inzynieria i Budownictwo, no. 7–8, pp. 422–428, 2013 (in Polish).
• [2] J. Chróścielewski, M. Miskiewicz, and Ł. Pyrzowski, Introduction to FEM modelling in the SOFISTIK software. Gdansk: Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, 2016 (in Polish).
• [3] J. Chróścielewski, T. Galewski, A. Kozakiewicz, M. Malinowski, and K. Żółtowski, “Consequences of the method of modelling a bridge on the example of a prestressed road viaduct”, presented at 21th International Conference on Structural Failures, Szczecin–Międzyzdroje, 2003 (in Polish).
• [4] E.C. Hambly, Bridge deck behavior. London: Chapman and Hall, 1976.
• [5] A. Jukic and K. Ekfeldt, Concrete Bridge Design with FEM. A comparative analysis between 3D shell and 2D frame models. Göteborg: Chalmers University of Technology, Department of Civil and Environmental Engineering, 2012.
• [6] J. Kmita, J. Bien, and Cz. Machelski, Computer-aided design of bridges. Warszawa: WKŁ, 1989 (in Polish).
• [7] E.J. O’Brien and L. D. Keogh, Bridge deck analysis. London: E and FN Spon, 1999.
• [8] G. A. Rombach, Finite element design of concrete structures. London: Thomas Telford Publishing, 2004.
• [9] K. Bathe, Finite element procedures in engineering analysis. Englewood Cliffs: Prentice-Hall, Inc., 1996.
• [10] R.D. Cook, D.S. Malkus, M.E. Plesha, and R.J. Witt, Concepts and applications of finite element analysis. New York: John Wiley and Sons, 1989, 2002.
• [11] J. Grycz, “Static analysis methods of beam-plate models”, Budownictwo betonowe, vol. XIV. Mosty cz. 2. Arkady, 1973 (in Polish).
• [12] T.J.R. Hughes, The finite element method. Linear static and dynamic finite element analysis. Mineola, New York: Dover Publications, 2000.
• [13] G. Rakowski and Z. Kacprzyk, The finite element method in structural mechanics. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2005 (in Polish).
• [14] J. Szmelter, M. Dacko, S. Dobrocinski, and M. Wieczorek, The finite element method in structural statics. Warszawa: Arkady, 1979 (in Polish).
• [15] O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor, and J.Z. Zhu, The finite element method: its basis and fundamentals. Amsterdam: Elsevier, Butterworth-Heinemann, 2005.
• [16] P. Łazinski, “Modeling procedure of real structures in the form of a certain type of bridge structures”, PhD thesis, Silesian University of Technology, Gliwice, 2009 (in Polish).
• [17] Cz. Machelski, “Parameters of load transverse distribution across bridges”, Roads and Bridges – Drog i i Mosty, vol. 13, no. 2, pp. 131–143, 2014, doi: 10.7409/rabdim.014.009.
• [18] Cz. Machelski, “Transverse distribution of loading in bridges with two capital girders”, Inżynieria i Budownictwo, no. 9, pp. 490–493, 2003 (in Polish).
• [19] Cz. Machelski, J. Onysyk, and J. Biliszczuk, “Analysis of working the double-girder superstructures made of prefabricated elements type U”, Inżynieria i Budownictwo, no. 6, 1997 (in Polish).
• [20] Results of the field tests of the MS-03 bridge over the Tysmienica River at km 4+114.48 of the DK19 road. Bielsko-Biała: Design and Research Office “System”, 2011 (in Polish).
• [21] PN-S-10030:1985 Bridge objects. Loads. PKN, 1985 (in Polish).
• [22] S. Timoshenko and S. Woinowsky-Krieger, Plate and shell theory. Warszawa: Arkady, 1962 (in Polish).
• [23] P. Hawryszków and B. Czaplewski, “Application of Matlab software in static calculations of bridge structures”, Archives of Civil Engineering, vol. 68, no. 1, pp. 299–317, 2022, doi: 10.24425/ace.2022.140169.
• [24] T.V.T. Thi and Q.V.T. Bich, “Nonlinear analysis for proposing limit state criteria of reinforced concrete road bridge superstructures”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 495–512, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144185.
• [25] P. Łaziski, M. Salamak, and T. Owerko, “Field tests of bridges in Poland based on selected examples”, presented at 7th Polish Conference “Konstrukcja i Wyposażenie Mostów”, Wisła, 2015 (in Polish).

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).