Studiu Comparativ Între Suprastruct

25
1 Studiu comparativ între suprastructuri de poduri pe deschideri mici ABSTRACT The main objective of our project consists in analyzing a Class 2 bridge made using three different techniques. One will be made out of concrete, one of wood and one will be a composite bridge (concrete and steel) divided in two groups based on span length : 15 m and 20 m. We are interested in observing and comparing the stress that develops in each of the suprastructures and stress variation based on span length . We also want to determine the best solution for the given lengths from a economic point of view. 1. INTRODUCERE De-a lungul anilor au fost construite poduri din diverse materiale de contrucţii (lemn, metal şi beton).Proiectul îşi propune găsirea soluţiilor de construcţie a podurilor de deschideri mici cu costuri reduse dar şi găsirea materialului optim. Având în vedere faptul că numărul mijloacelor de transport a crescut în ultima perioadă se impune găsirea soluţiilor de dimensionare a podurilor cât mai eficiente atât din punct de vedere al costurilor dar şi din punctul de vedere a preluării încărcărilor de materiale care să poată suporta traficul actual. Podurile din beton deşi se comportă bine la deschideri mici acestea au o greutate proprie mare care este un dezavantaj în comparaţie cu podurile de lemn de aceeaşi deschidere. Podurile de metal sunt cele mai dezantajoase la deschideri mici din punct de vedere al costului. Ne propuem ca podul să fie încadrat în clasa tehnica III, cu douǎ benzi de circulaţie fiecare având o lăţime de 3.5 m şi două console de trotuar cu o lǎţime de 1.75 m. Elementele de construcţie au fost solicitate la încărcări evaluate dupa EUROCOD pentru modelul de încărcare 1 (LM1) care cuprinde încărcări concentrate şi uniform distribuite care acoperă cele mai multe efecte din traficul automobilelor şi autocamioanelor acest model fiind stabilit pentru verificări generale şi locale.Pentru fiecare caz s-a considerat numărul optim de grinzi astfel încât să fie satisfăcute atât criteriile economice cât şi cele tehnologice.

description

The main objective of our project consists in analyzing a Class 2 bridge made using three different techniques. One will be made out of concrete, one of wood and one will be a composite bridge (concrete and steel) divided in two groups based on span length : 15 m and 20 m. We are interested in observing and comparing the stress that develops in each of the suprastructures and stress variation based on span length .

Transcript of Studiu Comparativ Între Suprastruct

Page 1: Studiu Comparativ Între Suprastruct

1

Studiu comparativ între suprastructuri de poduri pe deschideri mici

ABSTRACT

The main objective of our project consists in analyzing a Class 2 bridge made using three different techniques. One will be made out of concrete, one of wood and one will be a composite bridge (concrete and steel) divided in two groups based on span length : 15 m and 20 m. We are interested in observing and comparing the stress that develops in each of the suprastructures and stress variation based on span length . We also want to determine the best solution for the given lengths from a economic point of view.

1. INTRODUCERE

De-a lungul anilor au fost construite poduri din diverse materiale de contrucţii (lemn, metal şi beton).Proiectul îşi propune găsirea soluţiilor de construcţie a podurilor de deschideri mici cu costuri reduse dar şi găsirea materialului optim.

Având în vedere faptul că numărul mijloacelor de transport a crescut în ultima perioadă se impune găsirea soluţiilor de dimensionare a podurilor cât mai eficiente atât din punct de vedere al costurilor dar şi din punctul de vedere a preluării încărcărilor de materiale care să poată suporta traficul actual.

Podurile din beton deşi se comportă bine la deschideri mici acestea au o greutate proprie mare care este un dezavantaj în comparaţie cu podurile de lemn de aceeaşi deschidere. Podurile de metal sunt cele mai dezantajoase la deschideri mici din punct de vedere al costului.

Ne propuem ca podul să fie încadrat în clasa tehnica III, cu douǎ benzi de circulaţie fiecare având o lăţime de 3.5 m şi două console de trotuar cu o lǎţime de 1.75 m. Elementele de construcţie au fost solicitate la încărcări evaluate dupa EUROCOD pentru modelul de încărcare 1 (LM1) care cuprinde încărcări concentrate şi uniform distribuite care acoperă cele mai multe efecte din traficul automobilelor şi autocamioanelor acest model fiind stabilit pentru verificări generale şi locale.Pentru fiecare caz s-a considerat numărul optim de grinzi astfel încât să fie satisfăcute atât criteriile economice cât şi cele tehnologice.

Pentru a putea analiza evoluţia elementelor de suprastructurǎ a podului este necesarǎ urmărirea comportării acestora dar şi a materialelor din care acestea sunt fabricate. Obiectivul studiului este de a face o comparaţie din punct de vedere al comportării materialelor la diferite deschideri, respectiv 15m si 20 m , dar ţinând cont şi de factorii economici şi tehnologici.

2. STUDIU DE CAZ

În urma studiului de caz s-au urmărit deformaţiile produse pe verticală dar şi momentele dezvoltate în elementele de suprastructură comparându-se totodată variaţia acestora o data cu creşterea deschiderii.

Page 2: Studiu Comparativ Între Suprastruct

2

2.1Analiza statică a podului compus cu deschidere 15 m si 20 m

Podul compus din oţel beton a fost predimensionat cu ajutorul programuluiACOBRI (ArcelorMittal Composite Bridge Predesign), care lucrează pe baza EUROCOD-ului.

Suprastructura este realizată dintr-un sistem de 4 grinzi metalice de profil HL1100 R care sunt prinse cu ajutorul unor conectori de o placă de beton de grosime 20 cm şi care susţine straturile rutiere.Tipul oţelului folosit este S355 HISTAR. Distanţa dintre grinzile metalice este de 2.773 m, iar distanţa de la grinda marginală la consola trotuarului este de 1.09 m. Secţiunea HL1100 R are o înălţime de 1118 mm, lăţimea tălpii este 405 mm iar clasa plǎcii de beton este C45/55.

În figura următoare sunt prezentate caracteristicile geometrice din secţiunea transversală.

În urma evaluării efectuate de program a secţiunii alese au fost extrase date referitoare la comportarea la încovoiere a suprastructurii şi deformaţiei pe verticală apǎrute. Rezultatele sunt ilustrate în următoarele diagrame .

Primele două grafice oferă informaţii referitoare la momentele încovoietoare dezvoltate în grinzi din LM1 (model de încărcare al traficului) atât din UDL (încărcări uniform distribuite) cât şi din TS (sistem

Page 3: Studiu Comparativ Între Suprastruct

3

tandem ). Momentul încovoietor maxim dezvoltat apare în urma analizei TS în grinzile centrale cu valoarea maximă 1524.5 kN/m.

Page 4: Studiu Comparativ Între Suprastruct

4

Deformaţiile pe verticală suferite de sistemul de grinzi atât din încărcări permanente (greutate proprie) cât şi cele din încărcări utile (convoi) sunt prezentate în graficele următoare. Se observă că săgeata maximă se atinge în cazul în care podul este încărcat cu sitemul tandem valoarea fiind d=0.481 cm .

Page 5: Studiu Comparativ Între Suprastruct

5

Folosind acelaşi program de calcul dar mărind deschidera podului cu 5 m au fost extrase aceleaşi tip de date (moment încovoietor şi săgeătă ) pentru a putea observa diferenţele aparute în elementele suprastructurii.

Greaficele următoare prezintă valorile momentelor încovoietoare pe fiecare grindă în parte.

Page 6: Studiu Comparativ Între Suprastruct

6

La acelaşi tip de încărcări (încărcări permanente şi încărcări utile ) a fost supus şi podul cu deschidere de 20 m iar deformaţiile pe verticală se pot observa în graficele următoare.

Page 7: Studiu Comparativ Între Suprastruct

7

Page 8: Studiu Comparativ Între Suprastruct

8

În urma măririi deschiderii podului cu 5 m dar păstrând aceeaşi secţiune transversală s-au observat următoarele diferenţe :

Majorarea momentului încovoietor al fiecărui caz de încărcare cu urmatoarele procente 59.31 % pentru cazul UDL 23.91% pentru cazul TS

Diferenţe procentuale a deformaţiilor pe verticală sunt 164.08 % pentru cazul UDL 710.31% pentru cazul TS 216.07% încărcările provenite din greutate proprie

2.2.Analiza statică a podului din beton cu deschidere de 15m si 20 m

Podul având suprastructura compusă din grinzi de beton juxtapuse a fost predimensionate cu ajutorul catalogului IPTANA.

Sunt utilizate 9 grinzi prefabricate şi precomprimate de beton, clasa betonului este C35/45 iar armâtura utilizată este PC 52 şi OB 37 forţa de tragere pentru un toron fiind de Nx= 11 t. Distanţa dintre grinzi interax este de 1.04m. Distanţa de la axa grindei marginală pânǎ la extremitatea consolei trotuarului este de 1.09 m.

Dimensiunile grinzii sunt conform catalogului IPTANA şi sunt ilustrate în figura urmâtoare.

Page 9: Studiu Comparativ Între Suprastruct

9

În figura următoare sunt prezentate caracteristicile geometrice din secţiunea transversală.Analiza statică a fost realizată cu ajutorul programului de calcul Prokon iar în urma evaluării

rezultate obţinute sunt ilustrate în următoarele grafice.În primele grafice sunt reprezentate momentele încovoietoare obţinute în urma încǎrcării pǎrţii carosabile cu sistem tandem ( forţe concentrate care acţioneză pe axul grinzii) dar şi cea din greutate proprie.

Page 10: Studiu Comparativ Între Suprastruct

10

Valoarea maximă a momentului încovoietor se dezvoltă în cazul sistemului tandem când suprafată roţii acţioneză pe axa grinzi valoarea maximă fiind de 564.85 kNm iar valoarea maximă din greutatea proprie a structurii este de 202.3 kNm.

Page 11: Studiu Comparativ Între Suprastruct

11

În figura următoare este reprezentat momentul încovoietor după direcţia axei Z în placă, valoarea maximă fiind de 20.4kNm/m antingându-se în suprafaţa solicitată de convoi.

Din aceleaşi cazuri de încărcare s-au extras şi valorile deformaţilor pe verticală. Se observă că valoarea maximă se înregistreză în cazul când suprastructura podului este încărcat cu Sistem tandem pe axul grinzilor valoarea fiind de 19.92 mm.

Valoarea maxima sagetii din greutatea proprie a suprastructurii este de 8.53 mm in figura urmatoare fiind reprezentata variatia acesteia.

Page 12: Studiu Comparativ Între Suprastruct

12

Mărindu-se deschidera cu 5 m , păstrându-se aceleaşi secţiuni transversale şi aceleaşi încărcări s-a urmărit raspunsul structurii observându-se următoarele diferenţe :

Momentele încovoietoare dezvoltate în grinzi din Sistemul tandem

Momentele încovoietoare dezvoltate în grinzi din greutate proprie

Page 13: Studiu Comparativ Între Suprastruct

13

Momentele încovoietoare dezvoltate în placă din Sistemul tandem

Deformaţiile pe verticală rezultate din Sistemul tandem

Page 14: Studiu Comparativ Între Suprastruct

14

Valoarea maximă a momentului încovoietor din Sistemul tandem este de 866.3 kNmobservându-se o majorare cu 53.37%

Momentul încovoietor maxim dezvoltat din greutate proprie este de 355.2kNm majorarea fiind de 75.58 %

În placă valoarea momentului dezvoltat dupa direcţia axei Z este de 30.3 kNm/m majorarea fiind de 48.53%

Deformaţiile pe verticală rezultate din greutatea proprie a structurii

Page 15: Studiu Comparativ Între Suprastruct

15

Valoarea deformaţiei pe verticală rezultată din sistemul tandem este de 54.85 mm diferenţa fiind de 175.35 %

Săgeata maximă dezvoltată din greutatea proprie a structurii este de 24.86 majorarea fiind de 191.44 %

2.3.Analiza statică a podului din lemn cu deschidere de 15m si 20 m

Podul are suprastructura compusă din 7 ginzi de lemn de înalţime 1.5 m distanţa interax dintre grinzi fiind de 1.5 m. Tehnica de execuţie a grinzilor se bazează pe standardul de execuţie BS EN 386 şi standarde suport. Acest tip de grinzi sunt realizate prin faşii laminate de lemn încleate, tehnicǎ numită Glued laminated timber (glulam). Prin folosirea acestei tehnici sunt mărite proprietăţile fizico-mecanice ale elementelor de construcţie din lemn (grinzilor si placii). Un exemplu de îmbunătăţire prin folosirea acestei tehnici fiind mărirea rezistenţei elementelor.

În imaginea următoare sunt prezentate caracteristicile gemetrice ale secţiuni tansversale.

Analiza statică a fost realizată cu ajutorul programului Prokon iar rezultatele obţinute sunt ilustrate în grafice.

Primele douǎ grafice ilustrează momentele încovoietoare pe grinzi din sistemul tandem şi din greutatea proprie a suprastructurii.

Valoarea maximă a momentului încovoietor fiind de 387 kNm

Page 16: Studiu Comparativ Între Suprastruct

16

În următorul grafic este prezentat momentul încovoietor dupa axa Z în placă, valoarea maximă fiind de 11.4 kNm/m.

Valoarea maximă a momentului încovoietor fiind de 43.19 kNm

Page 17: Studiu Comparativ Între Suprastruct

17

S-au extras şi valorile deformţiilor pe verticală din aceleaşi cazuri de încărcări : În cazul sistemului tandem valoarea maximă este 8.73mm În cazul greutăţii proprii valoarea maximă este 1.10 mm

Page 18: Studiu Comparativ Între Suprastruct

18

Pentru podul cu deschidere de 20 m s-au păstrat aceleaşi caracteristici geometrice modul de încărcare fiind acelaşi. Valorile obţinute fiind reprezentate în graficele următoare.

În următoarele grafice sunt ilustrate momentele încovoietoare pe grinzi din sistem tandem şi greutatea proprie valorile maxime fiind 559.63 kNm respectiv 76.11 kNm .

Page 19: Studiu Comparativ Între Suprastruct

19

Valoarea maximă a momentului încovoietor dupa direcţia axei Z în placă este 18.8 kNm/m în figura următoare fiind reprezentată variaţia acestuia.

Deformaţiile pe verticală înregistrate din sistemul tandem sunt 22.67 mm iar din greutate proprie 3.61 mm în graficele următoare fiind reprezentarea acestora.

Page 20: Studiu Comparativ Între Suprastruct

20

În urma măririi deschiderii se observă următoarele diferenţe : Majorarea momentului încovoietor din sistemul tandem cu 44.6% Momentul încovoietor din greutate proprie mărindu-se cu 76.92 % Momentul încovoietor dupa direcţia Z în placă se majorează cu 64.91 % Majorarea deformaţiilor pe verticală din sistem tandem cu 159.68 % Majorarea săgţii din greutate proprie cu 228.18 %

3. Concluzii

În urma studiului efectuat diferenţele dintre cele trei tipui de suprastructuri se pot observa în tabelul următor:

Page 21: Studiu Comparativ Între Suprastruct

21

Tip Deshidere Moment incovoietor din ST kN/m Sageata mm Pret final €/t

Metal 15 1524.5 4.81 26441.5420 1888.96 10.21 34968.36

Beton 15 564.85 19.92 1770320 866.3 54.85 181170

Lemn 15 387 8.73 45753.7520 559.63 22.67 61005

Se observă că din punct de vedere al momentului încovoietor dezvoltat atăt la deschiderea de 15 m căt şi la cea de 20 m podul de lemn are suprastructura cea mai avantajoasă. Dar din punctul de vedere al deformaţiilor pe verticală podul având suprastructura din ginzi metalice lucrează cel mai bine. Este de înteles că podul de beton este cel mai dezavantajos din punct de vedere al deformaţilor deoarece acesta are o greutate proprie mare dar este cel mai avantajos din punct de vedere economic.

4. Bibliografie

-Catalogul IPTANA -EN 1991-2 Traffic loads on bridges -STAS 2924-91 Poduri de sosea. Gabarite - BS EN 386-Proiectarea structurilor de beton după SR EN 1992-1-Timber Bridges and Foundations