Load capacity and serviceability conditions for footbridges made of fibre-reinforced polymer laminates

• Autorzy: Chróścielewski J. , Klasztorny M. , Nycz D. , Sobczyk B.

Identyfikatory

DOI

10.7409/rabdim.014.013

Warianty tytułu

PL

Warunki nośności i użytkowalności w odniesieniu do kładek z laminatów polimerowych

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy sformułowano warunki nośności i użytkowalności do zastosowania w projektowaniu kładek wykonanych z laminatów polimerowych wzmocnionych włóknami (FRP). Warunek nośności bazuje na normie projektowania kompozytowych zbiorników ciśnieniowych naziemnych oraz na kryterium Tsai-Wu inicjacji niszczenia laminatów polimerowych wzmocnionych włóknem. Warunki użytkowalności sformułowano ze względu na ugięcia pionowe oraz ze względu na częstotliwości drgań swobodnych kładki kompozytowej. Sformułowano procedurę projektowania kładek kompozytowych, obejmującą projektowanie wstępne oraz projektowanie techniczne. Procedurę tę zilustrowano w odniesieniu do kładki z laminatu winyloestrowo-szklanego, o temperaturze ugięcia cieplnego 90°C i trwałości 50 lat. Warunek użytkowalności ze względu na ugięcia zaproponowano analogiczny, jak w projektowaniu kładek stalowych. W celu zapewnienia komfortu pieszych, zaproponowano drugi warunek użytkowalności nałożony na podstawową częstotliwość drgań swobodnych kładki nieobciążonej oraz kładki z dodatkową masą rozłożoną z intensywnością 70 kg/m2, odwzorowującą umiarkowane obciążenie tłumem pieszych.

EN

The contribution is focused on derivation of the Ultimate Limit State (ULS) and Serviceability Limit State (SLS) design criteria for footbridges built of fibre-reinforced polymer matrix (FRP) laminates. The ULS design criterion is based on the design guidelines for above-ground, pressure, FRP composite tanks and the Tsai-Wu failure criterion, which is used to predict the onset of FRP laminates damage. The SLS criterion is based on vertical deflections and natural frequencies limitations of the analysed FRP footbridge. As a part of the research, a special design procedure is established for FRP footbridges design process, covering both the preliminary and detailed engineering calculations. As an illustrative example, the procedure is applied to glass-fibre reinforced vinylester laminate with 90°C heat deflection temperature and 50-year service life. A deflection-based serviceability limit state criterion is established using the same approach as that currently used in the design of steel footbridges. Moreover, the second serviceability limit state criterion is proposed. It limits the range of possible fundamental natural frequency of footbridge without any load and loaded with an additional mass 70 kg/m2 applied to simulate load created by moderate pedestrian traffic.

Słowa kluczowe

PL

kładki kompozytowe; laminaty polimerowe wzmocnione włóknami (FRP); metoda rozdzielonych współczynników bezpieczeństwa; warunek nośności; warunki użytkowalności

EN

fibre reinforced plastics (FRP); FRP composite footbridges; partial safety factor method; serviceability limit state criterion; ultimate limit state criterion

• Wydawca: Instytut Badawczy Dróg i Mostów
• Czasopismo: Roads and Bridges - Drogi i Mosty
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 13, no. 3
• Strony: 189--202
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., tab.

Twórcy

autor

Chróścielewski J.

• Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

autor

Klasztorny M.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny

autor

Nycz D.

• Biuro Projektowe DES ART, Sanok

autor

Sobczyk B.

• Politechnika Gdańska, Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska

Bibliografia

• [1] Khalifa M.A., Hodhod O.A., Zaki M.A.: Analysis and design methodology for an FRP cable-stayed pedestrian bridge. Composites: Part B-Engineering, 27, 3-4, 1996, 307-317
• [2] Aref A.J., Kitane Y., Lee G.C.: Analysis of hybrid FRP-concrete multi-cell bridge superstructure. Composite Structures, 69, 3, 2005, 346-359
• [3] Tromp L.: Composite footbridges and vacuum infusion. A 44 m footbridge for Delft. Proceedings of 3rd International Conference FOOTBRIDGE 2008, 1-7
• [4] Chróścielewski J., Kreja I., Sabik A., Sobczyk B., Witkowski W.: Failure analysis of footbridge made of composite materials. Proceedings of 10th SSTA Conference, Gdańsk, Poland, 16-18 Oct. 2013, CRC Press, Taylor & Francis Group, Balkema, 2013, 389-392
• [5] Santos F.M., Mohan M.: Train Buffeting Measurements on a Fibre-Reinforced Plastic Composite Footbridge. Structural Engineering International, 21, 3, 2011, 285-289
• [6] Flaga A.: Mosty dla pieszych. WKŁ, Warszawa, 2011
• [7] Poneta P., Kulpa M., Wlasak L., Siwowski T.: Koncepcja i badania innowacyjnego dźwigara mostowego z kompozytów FRP. Inżynieria i Budownictwo, 70, 3, 2014, 147-151
• [8] Radomski W.: Nowoczesne rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne w mostownictwie, w: Kładki dla pieszych - Architektura, projektowanie, realizacja, badania. Dolnośląskie Wydawnictwo Edukacyjne, Wrocław, 2007, 89-100
• [9] Zobel H., Karwowski W., Żółtowski K., Kozakiewicz A.: Badania kratownicowej kładki z kompozytu polimerowego zbrojonego włóknem szklanym. Inżynieria i Budownictwo, 61, 4, 2005, 202-206
• [10] Technical guide. Footbridges. Assessment of vibrational behaviour of footbridges under pedestrian loading. Setra/AFGC, Paris, France, 2006
• [11] Madaj A., Sturzbecher K., Wolowicki W.: Badania dynamiczne kładki dla pieszych o pomoście kompozytowym. Inżynieria i Budownictwo, 65, 1-2, 2009, 85-88
• [12] Design of Footbridges. Guideline. RFS2-CT-2007-00033, 2008
• [13] PN-85/S-10030. Bridge objects. Loads [in Polish]
• [14] PN-82/S-10052. Bridge objects. Steel structures. Design [in Polish]
• [15] Camanho P.P.: Failure criteria for fibre-reinforced polymer composites. Seccao de Mecanica Aplicada, Departamento de Engenharia Mecanica e Gestao Industrial, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, 2002
• [16] Soden P.D., KaddourA.S., Hinton M.J.: Recommendations for designers and researchers resulting from the world-wide failure exercise. Composites Science and Technology, 64, 3-4, 2004, 589-604
• [17] Jones R.M.: Mechanics of composite materials. 2nd Edn., Taylor & Francs, USA, 1999
• [18] Hahn H.T., Tsai S.W.: Introduction to composite materials. Technomic Publishing Co., Lancaster, USA, 1980
• [19] Wu R.Y., Stachurski Z.: Evaluation of the normal stress interaction parameter in the tensor polynomial strength theory for anisotropic material. Journal of Composite Materials, 18, 1984, 456-463
• [20] PN-EN 13121-3+A1:2010E. Ground containers made of plastics reinforced with glass fibre. Part 3. Design and production control [in Polish], 2010
• [21] Królikowski W.: Polimerowe kompozyty konstrukcyjne. PWN, Warszawa, 2012
• [22] Chroscielewski J., Klasztorny M., Miśkiewicz M., Romanowski R., Wilde K.: Innovative design of GFRP sandwich footbridge. Proceedings of Int. Conf. Footbridges: Past, Present & Future FOOTBRIDGE-2014, 16-18 July 2014, London, England