Numerical analysis of box-type soil-steel structure under static service loads

• Autorzy: Haji Abdulrazagh P. , Bayoglu Flener E.
• Konferencja: European Conference on Buried Flexible Steel Structures (2, April 23-24. 2012 Rydzyna, Poland)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the numerical analysis of a long-span deep-corrugated steel box culvert with a span of 14m with soil covers of 0.45m and 1.20m. Current design codes and researchers usually approximate the effect of live loads on such soil-steel culverts, especially for stiffened ones. On the other hand, full-scale field tests are expensive and not always available. Therefore, it is essential to apply accurate numerical analyses with the real material characteristics for soil, steel structure and interface elements. This could be achieved only in lieu to verification of analytical models with experimental results. In this study, three- dimensional finite element analyses (3D FEA) of stiffened and non-stiffened deep corrugated soil-steel culverts are performed and compared with field test results which were obtained in part during experiments. The study shows that owing to precise modelling of the structure, results of 3D FE analyses for the thrust correspond well with the experimentally measured ones. The FE results for bending moments show less agreement with test results, and also show smaller values in the haunches and higher values in the crown in comparison with those obtained from design calculations. This shows that design codes are conservative when estimating moments in haunches, and underestimate bending moments in the crown. The 3D FE model studied in this research was found to be accurate enough to be used in future researche aimed at etimating thrust in box culverts in order to replace design codes, which fail at this task.

PL

Praca przedstawia analizę numeryczną przepustu skrzynkowego o rozpiętości 14 m wykonanego ze stalowej blachy falistej o głębokiej fali z naziomem gruntowym o wysokości 0,45 m i 1,20 m. W aktualnie stosowanych przepisach projektowych oraz badaniach zwykle przedstawia się przybliżone wartości obciążeń zmiennych działających na przepusty gruntowo-stalowe tego typu, szczególnie w wersji usztywnionej. Z drugiej strony, próby terenowe w pełnej skali są kosztowne i nie zawsze dostępne. Z tej przyczyny kluczowe znacznie ma stosowanie dokładnych analiz numerycznych z wykorzystaniem rzeczywistych własności materiałowych dla gruntu, konstrukcji stalowej oraz elementów łączących. Można to uzyskać jedynie dzięki weryfikacji modeli analitycznych, jaką umożliwiają rezultaty eksperymentów. W tym badaniu wykorzystano trójwymiarową analizę elementów skończonych (3D FEA) usztywnionych i nieusztywnionych przepustów gruntowo-stalowych z blachy o głębokiej fali, której wyniki porównano z rezultatami prób terenowych, uzyskanych częściowo podczas eksperymentów. Badanie pokazuje, że dzięki dokładnemu modelowaniu konstrukcji, rezultaty analizy 3D FE dla sił osiowych charakteryzuje dobra zgodność z wartościami zmierzonymi eksperymentalnie. Rezultaty analizy elementów skończonych dla momentów zginających wykazują mniejszą zgodność z rezultatami prób, a także wskazują na występowanie mniejszych wartości w pachwinie i wyższych wartości w koronie, w porównaniu do wartości uzyskanych podczas obliczeń projektowych. Te rezultaty pokazują, że przepisy projektowe przeszacowują momenty w pachwinach, a jednocześnie prowadzą do niedoszacowania momentów zginających w koronie. Badany model 3D FE okazał się wystarczająco dokładny do użycia w przyszłych badaniach nakierowanych na szacowanie sił osiowych w przepustach skrzynkowych, co pozwoli na zastąpienie przepisów projektowych, które nie radzą sobie z tym zadaniem.

Słowa kluczowe

EN

soil-steel structures; box culverts; deep corrugations; long-span; three dimensional; finite element analysis; field tests

PL

konstrukcje gruntowo-stalowe; przepusty skrzynkowe; głęboka fala; rozpiętość duża; trójwymiarowe; analiza elementów skończonych; próby terenowe

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej
• Czasopismo: Archiwum Instytutu Inżynierii Lądowej
• Rocznik: 2012
• Tom: Nr 12
• Strony: 95--108
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz.

Twórcy

autor

Haji Abdulrazagh P.

autor

Bayoglu Flener E.

• PhD candidate, School of Civil Engineering, University of Tehran, Iran

Bibliografia

• 1. Abdulrazagh, P.H., (2011): On the behaviour of long-span soil-metal box culverts under railway loads, Proceedings 6th International Conference on Thin Walled Structures, Polytechnica University of Timisoara, Timisoara, Romania.
• 2. Bakht, B., (2007): Evolution of the design methods for soil-metal structures in Canada, Proceeding 1st European Conference on Buried Flexible Structures, Poznan University of Technology, Rydzyna, Poland.
• 3. Bayoglu Flener, E., (2006): Full-scale testing of two corrugated steel box culverts with different crown stiffness, TRITA-BKN Rep. No. 93, Royal Institute of Technology, KTH, Stockholm, Sweden.
• 4. Bayoglu Flener, E., (2007): Full-scale testing of two corrugated steel box culverts with different crown stiffness, Part II, TRITA-BKN Rep. No. 118, Royal Institute of Technology, KTH, Stockholm, Sweden.
• 5. Bayoglu Flener, E., (2010): Testing the Response of Box-Type Soil-Steel Structures under Static Service Loads, Journal of Bridge Engineering, ASCE, 15,1 (2010) p. 90-97.
• 6. Duncan J.M., (1979): Behavior and Design of Long-Span Metal Culverts, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, 105, 3 (1979) p. 399-418.
• 7. Peterson, D.L., Nelson, C.R., Li, G., McGrath, T.J., Kitane, Y., (2010): NCHRP Report 647-Recommended Design Specified for Live Load Distribution to Buried Structures, NCHRP Project Rep. No. 647, Transportation Research Board, Washington, D.C.
• 8. MacDonald, L., (2010): Numerical modeling of vehicle loads on buried orthotropic steel shell structures, M.Sc. Thesis, Department of Civil and Resource Engineering, Dalhousie University, Halifax, Canada.
• 9. Manko, Z.Z., Beben, D., (2008): Dynamic testing of a corrugated steel arch bridge. Canadian Journal of Civil Engineering, 35, 3 (2008) p. 246-257.
• 10. McCavour, T.C., Byrne, P.M., Morrison, T.D., (1998): Long-span reinforced steel box culverts, Transportation Research Record. 1624, Transportation Research Board, Washington, D.C., p. 184-195.
• 11. McGrath, T.J., Moore, T.D., Selig, E. T., Webb, M.C., Taleb, B., (2002): Recommended specifications for large-span culverts, Transportation Research Record. 473, Transportation Research Board, Washington, D.C.
• 12. Moore, I.D., Taleb, B., (1999): Metal culvert response to live loading: Performance of three-dimensional analysis, Transportation Research Record. 1656, Transportation Research Board, Washington, D.C. p. 37-44.
• 13. Morrison, T.D., (2000): Long-span deep-corrugated structural plate arches with en-cased-concrete composite ribs, Transportation Research Record. 1736, Transportation Research Board, Washington, D.C. p. 81-93.
• 14. Webb, M.C., Sussmann, J., Selig, E.T., (1998): Report for National Cooperative Highway Research Program (NCHRP), NCHRP Project Rep. No. 12-45, University of Massachusetts at Amherst, Massachusetts.