Θέματα Σχεδιασμού Γέφυρας Τόξου-Ελκυστήρα με Οδική Κυκλοφορία και Μέσο Σταθερής Τροχιάς 

Μεταπτυχιακός Φοιτητής : Μαλαβάζος Σιεκιέρκα Αδάμ Αλεξάνδερ                                  
Επιβλέπων Καθηγητής: Θανόπουλος Π., Επ. Καθηγητής
Ημερομηνία : Οκτώβριος 2023
Σε κάθε έμπειρο μελετητή είναι αντιληπτό ότι οι Ευρωπαϊκοί Κανονισμοί, αν και περιέχουν μία πληθώρα από διατάξεις, δεν καλύπτουν πλήρως οποιαδήποτε πτυχή των προβλημάτων σε κατασκευές με ιδιαιτερότητες. Μία τέτοια περίπτωση αποτελούν και οι γέφυρες με μεικτή κυκλοφορία: οδική και τροχιοδρομικών οχημάτων. Ο ρόλος τέτοιων γεφυρών γίνεται ολοένα και περισσότερο σημαντικός, ειδικά για μικρά και μεσαία ανοίγματα, που προορίζονται για αστική λειτουργία, λόγω της ένταξής τους στο πλαίσιο των βιώσιμων συστημάτων μεταφορών.
Με αφορμή την ανάγκη γεφύρωσης ενός κωλύματος που να καλύπτει την προαναφερθείσα μεικτή λειτουργία, προτείνεται και μελετάται χαλύβδινη γέφυρα τύπου τόξου-ελκυστήρα με σύμμικτο κατάστρωμα, η οποία είναι ιδανική για μεσαία ανοίγματα και για αστικό περιβάλλον. Ο κύριος σκοπός της εργασίας είναι να παρέχει έναν πλήρη σχολιασμό των διάφορων θεμάτων σχεδιασμού τέτοιων γεφυρών. Για τον λόγο αυτό, το κείμενο είναι δομημένο με βήματα υπολογισμών κυρίως βάσει των υφιστάμενων και αναθεωρημένων Ευρωκωδίκων, με αναλυτική παρουσίαση και επεξήγηση των διάφορων παραμέτρων. Τα βήματα αυτά συμπληρώνονται με παρατηρήσεις και απλοποιητικές παραδοχές μέσω βιβλιογραφικής έρευνας, καθώς και συμπληρωματικών υπολογιστικών διερευνήσεων.
Το πρώτο θέμα σχεδιασμού περιλαμβάνει τη μόρφωση ενός ρεαλιστικού εύρους κατάληψης οδοποιίας όπου αναζητούνται οι οδηγίες σχεδιασμού για τις διατομές της οδικής κυκλοφορίας και του τροχιοδρόμου. Ως αποτέλεσμα, μορφώνεται το κατάστρωμα της γέφυρας με έναν κεντρικό διάδρομο τροχιοδρόμου διπλής γραμμής και  Κατηγορίας B (αποκλειστικός προστατευόμενος διάδρομος), εκατέρωθεν του οποίου προβλέπονται: η οδική κυκλοφορία που απαρτίζεται από δύο λωρίδες ανά κατεύθυνση και πεζοδιαδρόμοι.
Η μελετώμενη γέφυρα έχει συνολικό άνοιγμα 150m και μορφώνεται με 2 κεκλιμένα τόξα κοίλης κυκλικής διατομής, οριζόντια και χιαστί στοιχεία δικτύωσης τόξων, 2x11 καλωδιωτούς αναρτήρες, ελκυστήρες κιβωτιοειδούς διατομής και σύμμικτο κατάστρωμα αποτελούμενο από 51 διαδοκίδες διατομών μορφής διπλού-ταυ, πλάκας σκυροδέματος και χαλυβδόφυλλου. Το ύψος των τόξων είναι 30m, ο άξονας τους ακολουθεί εξίσωση 2ου βαθμού, ενώ η κλίση τους ως προς τον κατακόρυφο άξονα είναι 20˚. Τα προσομοιώματα, η εισαγωγή των δράσεων και η ανάλυση του φορέα διεκπεραιώθηκαν με κώδικες στη γλώσσα προγραμματισμού CADINP του λογισμικού SOFiSTiK 2020.
Στα πρώτα στάδια του σχεδιασμού γίνεται ενασχόληση με το υπολογιστικό κομμάτι του ερπυσμού και της συστολής ξηράνσεως στις σύμμικτες διαδοκίδες. Για τις δεύτερες υπολογίζονται οι επιρροές τους και γίνεται σύγκριση με τα αποτελέσματα του λογισμικού. Ακολουθεί ο προσδιορισμός των δράσεων για τις οποίες μελετάται η γέφυρα. Όπου γίνεται χρήση του Ευρωκώδικα δίνονται παραδοχές για την αντιμετώπιση τοξωτών γεφυρών και της κυκλοφορίας των τραμ. Στην περίπτωση του ανέμου εξετάζεται η ενδεχόμενη επιρροή του συνδυασμένου δυναμικού συντελεστή, ο οποίος όμως προκύπτει μικρότερος της μονάδας.
Χαρακτηριστικό πεδίο στα κεφάλαια των δράσεων αποτελεί η εξέταση των φορτίων που ασκούνται στις γέφυρες από τα τροχιοδρομικά μέσα. Κατά την περίοδο συγγραφής της εργασίας, δεν παρέχονται πρότυπα μοντέλα τέτοιων φορτίων από τους Ευρωκώδικες, και επομένως οι μελετητές γεφυρών πρέπει να καθορίζουν οι ίδιοι τους κανόνες φόρτισης για κάθε μεμονωμένο έργο. Παρέχονται από βιβλιογραφική έρευνα περιπτώσεις εφαρμογής φορτίων βάσει πραγματικών οχημάτων, καθώς και μία πρώτη πρόταση πρότυπης φόρτισης ελαφριάς σιδηροδρομικής γραμμής. Για τις αναλύσεις προτείνονται: α) πραγματικά δεδομένα από τα οχήματα τραμ της Αθήνας, β) η εφαρμογή των φορτίων να γίνεται στα ζεύγη αξόνων ή στους άξονες ή στους τροχούς, γ) παραδοχές για τον συνδυασμό με τις υπόλοιπες δράσεις.
Οι αναλύσεις της γέφυρας είναι κυρίως γραμμικές και η αναζήτηση των δυσμενέστερων εντατικών γίνεται με το Superpositioning του λογισμικού. Για τον σκοπό αυτό τα φορτία UDL έχουν εφαρμοσθεί ως τμηματικές φορτίσεις, ενώ τα συγκεντρωμένα φορτία των TS και των τραμ με step loading. Βάσει των αποτελεσμάτων πραγματοποιείται προδιαστασιολόγηση της γέφυρας. Τα χαλυβδόφυλλα ελέγχονται για τη φάση κατασκευής βάσει του ΕΝ 1993-1-3. Ιδιαιτερότητες παρουσιάζουν οι σύμμικτες διαδοκίδες, οι οποίες δέχονται αξονικές δυνάμεις – θλιπτικές και εφελκυστικές – λόγω των κεκλιμένων αναρτήρων και τόξων, αντίστοιχα. Για τον λόγο αυτό αναζητούνται στη βιβλιογραφία σχέσεις ελέγχου αλληλεπίδρασης κάμψεως και αξονικών δυνάμεων για σύμμικτες διατομές.
Σχετικά με τα τόξα, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στον έλεγχο ευστάθειας μέλους με χρήση της Γενικής Μεθόδου του ΕΝ 1993-1-1 όπου διερευνώνται διαφορετικές ερμηνείες για τη «χαρακτηριστική αντοχή» διατομής Κατηγορίας 1, εστιάζοντας κυρίως στις διαφορές μεταξύ χρήσης τάσεων Von Mises και βαθμών εκμετάλλευσης διατομής βάσει πλαστικών μεγεθών αντοχής. Τα αποτελέσματα ενδεικνύουν ότι για διατομές Κατηγορίας 1 η συντηρητική χρήση των τάσεων οδηγεί σε μείωση της ανίσωσης του ελέγχου κατά 45%. Επιπλέον, εξετάζεται η επιρροή του είδους ανάλυσης (γραμμική, μη γραμμική, 2ης τάξεως) στα μεγέθη αυτά και γίνεται σύγκριση των σχετικών διατάξεων του ΕΝ 1993-2 περί λυγισμού τόξων.
Οι κιβωτιοειδείς διατομές των ελκυστήρων παρά τις εφελκυστικές αξονικές δυνάμεις, που δέχονται λόγω της ώθησης των τόξων, αναπτύσσουν και θλιπτικές τάσεις. Για τον λόγο αυτόν ελέγχονται συμπληρωματικά και με τη Μέθοδο Μειωμένης Τάσεως. Για τα χιαστί μέλη δικτύωσης τόξων γίνεται διερεύνηση για το μήκος λυγισμού και σύγκριση με διατάξεις του ΕΝ 1993-2.
Μείζονος σημασίας για τη διαστασιολόγηση είναι οι σχεδιαστικές καταστάσεις απώλειας καλωδίων. Εξετάζονται δύο περιπτώσεις: ήπια αντικατάσταση ενός καλωδίου χωρίς εφαρμογή φορτίων, με θεώρηση πλήρους λειτουργίας γέφυρας και υπολογισμούς με συνδυασμούς ΟΚΑ, καθώς και τυχηματική απώλεια ενός καλωδίου με εφαρμογή φορτίου δυναμικά προσαυξημένου και υπολογισμούς με τυχηματικούς συνδυασμούς ΟΚΑ. Η δεύτερη από τις δύο είναι η καθοριστική για τον σχεδιασμό των καλωδίων και τόξων, δυσχεραίνοντας περισσότερο τον έλεγχο ευστάθειας και αυξάνοντας τη διαφορά των ερμηνειών περί χαρακτηριστικής αντοχής στο 58%. Για τα καλώδια εξετάζεται και ο απλοποιητικός έλεγχος του ΕΝ 1993-1-11 για τυχηματική απώλεια με τον ίδιο δυναμικό συντελεστή, ο οποίος δίνει σε όλα τα στοιχεία καλωδίων κατά 30% ευμενέστερα αποτελέσματα σε σχέση με τις αναλύσεις.
Η κόπωση του δομικού χάλυβα της γέφυρας εξετάστηκε με δύο προσεγγίσεις, έτσι ώστε να ληφθεί υπόψη και η διέλευση του τροχιοδρομικού μέσου. Στην πρώτη προσέγγιση γίνονται αναλύσεις για τη διέλευση  μόνο του πρότυπου οχήματος κοπώσεως FLM3, αλλά οι έλεγχοι γίνονται για διπλούς κύκλους αντοχής. Παράλληλα γίνεται διερεύνηση και για τους εναλλακτικούς τρόπους εφαρμογής του μεγεθυντικού συντελεστή κοντά σε αρμοκάλυπτρα. Στη δεύτερη προσέγγιση γίνονται πλέον και αναλύσεις για τη διέλευση του τροχιοδρομικού μέσου και εξετάζεται η αντοχή με τον κανόνα Palmgren-Miner. Ο έλεγχος έναντι κοπώσεως ήταν καθοριστικός για την επιλογή των διατομών των σύμμικτων διαδοκίδων, ενώ η δεύτερη προσέγγιση έδειξε ότι η διέλευση των τροχιοδρομικών μέσων δε δίνει εύρη τάσεων που να τέμνουν την καμπύλη S-N. Και τα δύο αυτά γεγονότα υποδεικνύουν τη συντηρητικότητα του σχεδιασμού για μόλις διπλούς κύκλους αντοχής με τη FLM3 κατά την πρώτη προσέγγιση.
Οι σημαντικές διαστάσεις της γέφυρας, που είναι το αποτέλεσμα του ανοίγματος και της μεικτής λειτουργίας, οδηγούν στην απόρριψη στηρίξεως της γέφυρας σε ελαστομεταλλικά εφέδρανα. Έτσι, αναγκαία είναι η σεισμική μόνωση της γέφυρας με εφέδρανα ολίσθησης τύπου εκκρεμούς σε σφαιρική επιφάνεια. Σε αυτό το θέμα σχεδιασμού παρουσιάζονται εκτεταμένα οι προβληματισμοί που αφορούν κυρίως τον συντελεστή τριβής και δίνονται οι συντελεστές τροποποίησης των τιμών του σύμφωνα με το ΕΝ 1998-2. Το ίδιο το σύστημα αντιμετωπίζεται απλοποιητικά με τη Μέθοδο της Θεμελιώδους Ιδιομορφής, ενώ δίνονται και οι σχετικοί έλεγχοι των εφεδράνων που προβλέπονται από το προαναφερθέν πρότυπο.
Ως τελευταίο θέμα της προδιαστασιολόγησης παρουσιάζονται και ορισμένες αντιπροσωπευτικές συνδέσεις της γέφυρας. Ο σχεδιασμός και η ανάλυση των συνδέσεων έγινε με χρήση του λογισμικού IDEA StatiCa Connection 23.0, με εξαίρεση τη σύνδεση των αναρτήρων που υπολογίζεται ως σύνδεση πείρου. Το κεφάλαιο αυτό της εργασίας δίνεται κυρίως για να ερευνηθεί ο τρόπος ένωσης των μελών, ώστε να ισχύουν οι παραδοχές των αριθμητικών προσομοιωμάτων του φορέα, και να υπογραμμισθούν διάφορα κατασκευαστικά προβλήματα.
Επίσης, στα πλαίσια των διερευνήσεων εξετάζεται η λειτουργία της πλάκας σκυροδέματος και η επιρροή της στις τιμές της εφελκυστικής αξονικής δύναμης των ελκυστήρων. Για τον σκοπό αυτό δημιουργούνται δύο προσομοιώματα με επιφανειακά πεπερασμένα στοιχεία για την πλάκα, όπου στο ένα οι διαδοκίδες λαμβάνονται ως αμιγώς μεταλλικές, ενώ στο δεύτερο ως σύμμικτες, και επομένως η πλάκα ως ορθότροπη. Λόγω των εφελκυστικών μεμβρανικών δυνάμεων της πλάκας παράλληλα με το άνοιγμα της γέφυρας γίνονται αναλύσεις για διάφορα ποσοστά του μέτρου ελαστικότητας (Εx) κατά τη διεύθυνση αυτή. Βάσει των αποτελεσμάτων παρουσιάζονται οι διαφορετικοί τρόποι ανάπτυξης των εφελκυσμών της πλάκας στα δύο προσομοιώματα, ερμηνεύεται ως πιο ρεαλιστική αυτή του προσομοιώματος των αμιγώς μεταλλικών διαδοκίδων, και αναζητούνται οι κρίσιμες ζώνες όπλισης της πλάκας, οι οποίες προκύπτουν στα άκρα της σε ένα μήκος ίσο με το 26% του ανοίγματος της γέφυρας και σε ένα μεταβλητό κατά μήκος της γέφυρας πλάτος που κυμαίνεται κατά μέσον όρο από 8% μέχρι 3% του πλάτους του καταστρώματος. Για την επιρροή της πλάκας στις αξονικές δυνάμεις του ελκυστήρα γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων των προσομοιωμάτων με και χωρίς την πλάκα σκυροδέματος για συνδυασμούς ΟΚΑ με άνεμο. Έτσι, στο προσομοίωμα της ορθότροπης πλάκας  οι αξονικές αυτές δέχονται μείωση ήδη από το άκρο του ελκυστήρα κατά 2,3% για 10%Εx έως 7,6% για 100%Εx, η οποία (μείωση) αυξάνεται περαιτέρω στο άνοιγμα του ελκυστήρα σε 6,6% για 10%Εx έως 21,5% για 100%Εx. Αντίθετα, στο προσομοίωμα με τις αμιγώς μεταλλικές διαδοκίδες το άκρο του ελκυστήρα δεν παρουσιάζει καμία μείωση, καθώς εδώ οι μεμβρανικές δυνάμεις αναπτύσσονται ήπια προς το εσωτερικό της γέφυρας όπου οι μέγιστες αξονικές μειώνονται κατά 5,5% για 10%Εxέως 24,3% για 100%Εx. Πρακτικά αυτό σημαίνει ότι η λειτουργία της πλάκας αποτελεί «κρυμμένο συντελεστή ασφαλείας» για τον σχεδιασμό του ελκυστήρα τουλάχιστον στην περιοχή του ανοίγματος.
Τέλος, δίνεται η προμέτρηση και η κοστολόγηση της προδιαστασιολογημένης γέφυρας. .
 

Δείτε τη ΜΕ στη βιβλιοθήκη του ΕΜΠ