Optimization of post-tensioning forces in stay-cables of cable-stayed bridges

• Autorzy: Atmaca Barbaros , Grzywiński Maksym , Dede Tayfun

Identyfikatory

DOI

DOI: 10.17512/bozpe.2019.2.08

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja sił sprężających w kablach w mostach podwieszanych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Stay-cables are one of the most crucial structural elements of cable-stayed bridges. This structural element is used in the support of the bridge deck, transferring dead and live load exposed to the deck through the pylon and controls the vertical deck and horizontal pylon displacement with the help of post-tensioning forces of the stay-cables. Under the dead load of the structural and non-structural elements of the bridge, the vertical deck and horizontal pylon displacement must be almost zero. To determine the post-tensioning forces of the stay-cables, to ensure the desired displacement of deck and pylon with a trial-and-error procedure, is sometimes impossible. In this paper, we will determine the post-tensioning forces of a cable-stayed bridge’s stay-cable by developing a program that integrates a finite element analysis, and a Jaya algorithm with MATLAB codes. To achieve this aim an existing bridge was selected as an example. A threedimensional (3D) finite element model (FEM) of the selected bridge was created by SAP2000. 3D FEM of the selected bridge was repeatedly analyzed by using the Open Applicable Programming Interface (OAPI) properties of SAP2000. The results of numerical examples are presented and discussed to show efficiency of the optimization process. By minimizing the weight of the steel structure, CO2 emisions are also kept low.

PL

Kable stężające są jednym z najważniejszych elementów konstrukcyjnych mostów podwieszanych. Ten element konstrukcyjny jest wykorzystywany do podparcia płyty pomostu, przenosząc obciążenie stałe i zmienne z płyty na pylon i wpływa na przemieszczenie pionowe płyty i poziome pylonu za pomocą sił naciągających w kablach. Pod obciążeniem stałym i zmiennym elementów konstrukcyjnych mostu przemieszczenie pionowe pomostu i poziome pylonu musi wynosić prawie zero. W celu określenia sił sprężających w kablach, aby zapewnić pożądane przemieszczenie pomostu i pylonu, zastosowano metodę prób i błędów. W artykule określono siły sprężające cięgna mostu wantowego, opracowując program, który integruje analizę metody elementów skończonych (MES) oraz algorytm Jaya zakodowany w MATLAB-ie. Aby osiągnąć ten cel, jako przykład wybrano istniejący most. Trójwymiarowy model (3D) metody elementów skończonych (MES) wybranego mostu został stworzony w programie SAP2000. 3D MES wybranego mostu był wielokrotnie analizowany z użyciem właściwości Open Applicable Programming Interface (OAPI) SAP2000. Wyniki przykładów numerycznych zaprezentowano i omówiono w celu wykazania wydajności procesu optymalizacji. Minimalizując ciężar konstrukcji stalowej, emisje CO2 są również utrzymywane na niskim poziomie.

Słowa kluczowe

EN

Jaya algorithm; post-tensioning forces; cable-stay; bridges; SAP2000-OAPI; CO2 emissions

PL

algorytm Jaya; siła sprężająca; kabel stężający; mosty; SAP2000-OAPI; niska emisja CO2

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznym
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 8 Nr 2
• Strony: 69--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Atmaca Barbaros

• Karadeniz Technical University, Trabzon

autor

Grzywiński Maksym

• Czestochowa University of Technology

autor

Dede Tayfun

• Karadeniz Technical University, Trabzon

Bibliografia

• 1.AASHTO, (2012) LRFD bridge design specifications, 6th Ed., Washington, D.C.
• 2.Chen, D.W., Au, F.T.K., Tham, L.G. & Lee, P.K.K. (2000) Determination of initial cable forces in prestressed concrete cable-stayed bridges for given design deck profiles using the force equilibrium method. J. Comput. Struct, 74, 1-9.
• 3.Fabbrocino, F., Modano, M., Farina, I., Carpentieri, G. & Fraternali F.(2017) Optimal prestress design of composite cable-stayed Bridges. Composite & Structures, 84, 2128-2140.
• 4.Freire, A.M.S., Negrao, J.H.O. & Lopes, A.V. (2006) Geometrical nonlinearities on the static analysis of highly flexible steel cable-stayed bridges. Computers & Structures, 84, 2128-2140.
• 5.Hassan, M.M., Annan, C.D. & Norlander, G.W. (2012) Optimal Design of Stay Cables in CableStayed Bridges. 3rd International Structural Specialty Conference, Edmonton, Alberta.
• 6.Li, F., He, J., Zhang, Z., Liu, Y., Ke, H., Dong, C. & Li, H. (2018) An improved analytical algorithm on main cable system of suspension bridge. Applied Science, 8, 1358-1373.
• 7.MATLAB v6.5-13. MATLAB documentation, 2003.
• 8.Rao, R.V. (2016) Jaya: A simple and new optimization algorithm for solving constrained and unconstrained optimization problems. Int. J. Ind. Eng. Comput., 7, 19-34.
• 9.SAP2000 (2008) Computers & Structures, California.
• 10.Song, C., Xiao, R. & Sun, B. (2018) Optimization of cable pre-tension forces in long-span cable-stayed bridges considering the counterweight. Engineering Structures, 172, 919-928.
• 11.Xiao, R., Jia, L., Song, X. & Xiang, H. (2001) Influence matrix method of cable tension optimization for long span cable-stayed bridges. IABSE Conference on cable-supported bridges, Seoul.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).