Μη γραμμική στατική και δυναμική ανάλυση καλωδιωτών γεφυρών - Τζωρτζόπουλος - Μαρίνης, Γεώργιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Δομοστατικής. Εργαστήριο Στατικής και Αντισεισμικών Ερευνών, 2016)
Οι γέφυρες μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορους τρόπους. Μερικοί από αυτούς αποτελούν το υλικό κατασκευής τους, τα μήκη των ανοιγμάτων τους, η μορφή της δομής τους και τα είδη των ανοιγμάτων τους. Ο πιο σημαντικός, από αυτούς που αναφέρθηκαν, είναι η κατάταξη με βάση τη μορφή της δομής των γεφυρών, δηλ. το κύριο στατικό σύστημα τους. Οι δικτυωτές γέφυρες, οι τοξωτές, οι καλωδιωτές και οι κρεμαστές είναι μερικές από τις πιο γνωστές κατηγορίες σύμφωνα με αυτήν την ιεράρχηση. Η παρούσα εργασία ασχολείται με τις καλωδιωτές γέφυρες και επιδιώκει την μόρφωση του φορέα τους, την στατική και δυναμική τους ανάλυση. Το βασικό στοιχείο των γεφυρών αυτών, όπως προκύπτει και το όνομα τους, είναι το καλώδιο. Το καλώδιο είναι ένα δομικό στοιχείο η συμπεριφορά του οποίου χαρακτηρίζεται ως μη – γραμμική. Η μη – γραμμικότητα του καλωδίου αναφέρεται, τόσο στο υλικό κατασκευής του όσο και στη γεωμετρία του. Το υλικό κατασκευής του, ο χάλυβας, είναι ένα μη – γραμμικό υλικό, καθώς το διάγραμμα τάσεων – παραμορφώσεων του αποτελείται από μια καμπύλη με συνεχώς μεταβαλλόμενη κλίση. Παρόμοια, η γεωμετρία είναι και αυτή μη – γραμμική, αφού η ισορροπία λαμβάνεται στην παραμορφωμένη θέση του, εξαιτίας των μεγάλων παραμορφώσεων που εκδηλώνει όταν εντείνεται. Τα καλώδια που εξετάζονται φορτίζονται πέραν του ιδίου βάρους τους μόνο με αξονικά φορτία καθόσον έτσι εμφανίζονται στις καλωδιωτές γέφυρες. Τα αξονικά φορτιζόμενα καλώδια, λοιπόν, μπορούν να παρομοιαστούν με τις εφελκυόμενες ράβδους των δικτυωμάτων. Έτσι, γίνεται σύγκριση μεταξύ αυτών των δύο στοιχείων ως προς τη δυστένεια τους και τη δυνατότητα παραμόρφωσής τους. Ένας τρόπος να προσομοιωθεί ένα μη – γραμμικό καλώδιο με μία γραμμική ράβδο είναι με την εισαγωγή ενός ισοδύναμου μέτρου ελαστικότητας (εφαπτομενικό μέτρο ή μέτρο διάτμησης). Στη συνέχεια, καταγράφονται αναλυτικά οι σχέσεις που διέπουν το καλώδιο. Η καμπύλη μορφή του καλωδίου μπορεί να προσομοιωθεί με δύο τρόπους, είτε με τη μορφή μιας αλυσοειδούς καμπύλης, που είναι και πιο ρεαλιστική, είτε με τη προσεγγιστική μορφή μιας παραβολικής καμπύλης δευτέρας τάξεως. Μετά τη σύγκριση αυτή πραγματοποιείται διερεύνηση των βασικών εξισώσεων του καλωδίου και προκύπτουν σημαντικά συμπεράσματα ως προς τους διάφορους τρόπους προέντασης του. Αυτή η ανάλυση πραγματοποιήθηκε για να χρησιμοποιηθούν τα πορίσματά της στην εισαγωγή των καλωδίων της γέφυρας που εξετάστηκε στην παρούσα εργασία. Η γέφυρα αυτή είναι η Quincy Bayview στο Illinois της Αμερικής. Με τη βοήθεια του προγράμματος ανάλυσης CSiBridge 2016 και μιας ερευνητικής εργασίας που βρέθηκε στο διαδίκτυο, η γέφυρα δημιουργήθηκε στο περιβάλλον εργασίας του προγράμματος. Έγινε προσπάθεια, όσο ήταν δυνατόν, να τηρηθούν τα σχέδια που βρέθηκαν στην ερευνητική εργασία. Λήφθηκαν υπόψη οι βασικές φορτίσεις της ΟΚΑ και της ΟΚΛ, χωρίς βέβαια να ερευνάται η επίδραση των θερμοκρασιακών μεταβολών και του ανέμου. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκαν τέσσερις βασικές αναλύσεις – διερευνήσεις. Αρχικά, αναζητήθηκε ο βέλτιστος τρόπος εισαγωγής των καλωδίων. Ουσιαστικά, δηλαδή, ερευνήθηκε η αρχική προένταση που πρέπει να έχουν τα καλώδια, έτσι ώστε να ικανοποιούνται κάποια κριτήρια. Οι διάφορες μέθοδοι που εξετάστηκαν και τα κριτήρια που πραγματοποιήθηκαν οι έλεγχοι απορρέουν από την ανάλυση του καλωδίου ως μεμονωμένο δομικό στοιχείο. Αφού βρέθηκε ο βέλτιστος τρόπος προέντασης των καλωδίων πραγματοποιήθηκε νέα διερεύνηση, με θέμα αυτή τη φορά την εύρεση του ποσοστού του οπλισμού των πυλώνων που εμφανίζει την καλύτερη συμπεριφορά στο σεισμό. Για αυτήν την ανάλυση πραγματοποιήθηκαν μη – γραμμικές στατικές αναλύσεις Pushover χρησιμοποιώντας όλους τους πιθανούς σεισμικούς συνδυασμούς που ορίζουν οι διατάξεις του EC8. O έλεγχος των διαφορετικών περιπτώσεων πραγματοποιήθηκε με την αξιολόγηση της κατάστασης των κρίσιμων σημείων (πλαστικών αρθρώσεων) της γέφυρας και την απαίτηση του ΚΑΝ.ΕΠΕ., που λέει ότι η στοχευόμενη μετακίνηση για οικονομικό σχεδιασμό πρέπει να ταυτίζεται σχεδόν με το σημείο επιτελεστικότητας: Προστασία Ζωής. Έπειτα, εισάγονται χιαστί σύνδεσμοι δυσκαμψίας στους πυλώνες και αναζητείται η επίδρασή τους στη συμπεριφορά της γέφυρας. Η παραμετρική διερεύνηση - σύγκριση που πραγματοποιήθηκε ήταν μεταξύ της γέφυρας με τον οπλισμό που επαληθεύτηκε στο προηγούμενο βήμα με την ίδια γέφυρα με μειωμένο ποσοστό οπλισμού, αλλά με την εισαγωγή των χιαστί συνδέσμων. Τέλος, στη γέφυρα που έχει υποστεί όλες αυτές τις αναλύσεις εισάγεται και ένα πραγματικό επιταχυνσιογράφημα για την υλοποίηση της δυναμικής ανάλυσης χρονοϊστορίας και της εύρεσης της συμπεριφοράς της σε έναν πραγματικό σεισμό. Το επιταχυνσιογράφημα που εισάγεται είναι αυτό του σεισμού Imperial Valley που πραγματοποιήθηκε το 1979 και καταγράφτηκε από το σταθμό El Centro Array #4. Η έντασή του ήταν 6,53 βαθμοί της κλίμακας Ρίχτερ. Για αυτήν την ανάλυση έγινε η διαστασιολόγηση των εφεδράνων της γέφυρας. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σύγκριση της μονωμένης και της μη – μονωμένης γέφυρας σε κρίσιμα εντατικά μεγέθη της κατασκευής και σε κρίσιμες μετακινήσεις.