Progressive collapse in long-span cable-supported bridges
Creators: name: Shoghijavan, Mohammad
Publisher: name: epubli
Year: 2020
Subjects: subject: Progressive Collapse in Long-Span Cable-Supported Bridges
classificationCode: 690
subject: Hausbau, Bauhandwerk

description: Parallele Tragsysteme sind strukturelle Systeme mit tragenden Elementen, die in Art und Funktion ähnlich sind und alternative Lastspfade darstellen. Seilunterstützte Brücken sind gute Beispiele für ein solches Tragwerkssystem. Im Falle des Versagens eines der parallelen tragenden Elemente (Kabel) muss die Last, die von dem versagenden Element getragen wird, auf die verbleibende Struktur neu verteilt werden. In dieser Situation erhält das an das ausgefallene Element angrenzende Element den größten Teil der umverteilten Last und wird zum kritischen Element. Wenn dieses Element die umverteilte Last nicht ertragen kann, kann der Zusammenbruch auf die nachfolgenden Elemente und möglicherweise auf die gesamte Struktur übergreifen. Aufgrund der entscheidenden Rolle des kritischen Elements für die Robustheit des Tragwerksystems liegt der Schwerpunkt dieser Studie daher hauptsächlich auf diesem Element. In dieser Studie wird ein paralleles Tragsystem als ein konzeptionelles Modell für seilunterstützte Brücken mit großer Spannweite etrachtet. Das Ziel ist die Berechnung des "Spannungszunahmeverhältnisses" des kritischen Kabels in einem Kabelverlust-Szenario. Die strukturellen Eigenschaften des Systems, einschließlich der Biegesteifigkeit des Trägers und einer einzigartigen axialen Steifigkeit in jedem Kabel, wurden berücksichtigt. Das Versagen mehrerer Kabel wurde ebenfalls berücksichtigt. Ein analytischer Ansatz auf der Grundlage von Differentialgleichungen des Systems wurde verwendet, und es wurde eine Approximationsfunktion für die Berechnung des Spannungszunahmeverhältnisses des kritischen Kabels in einem Kabelverlustszenario abgeleitet. Die Methode der kleinsten Quadrate wurde angewandt, um den Fehler der Näherungsfunktion zu minimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass durch Erhöhen des Verhältnisses der Biegesteifigkeit des Trägers zur axialen Steifigkeit der Kabel (β-Wert) das Spannungszunahmeverhältnis des kritischen Kabels abnimmt. Die akzeptable Genauigkeit der vorgestellten Approximationsfunktion wurde durch den Vergleich der genauen Werte des Spannungszunahmeverhältnisses mit dem aus der vorgeschlagenen Näherungsfunktion berechneten Wert nachgewiesen. Abgesehen von kleinen β-Werten beträgt der Fehler der vorgeschlagenen Näherungsfunktion in den untersuchten Systemen weniger als 5%. Die entwickelte Approximationsfunktion wurde verwendet, um einen reservebasierten Robustheitsindex abzuleiten. Außerdem wurde die strukturelle Robustheit eines durch Zipper-Stopper segmentierten Systems untersucht und das Spannungszunahmeverhältnis des Zipper-Stoppers in einem Kabelverlust-Szenario untersucht. Darüber hinaus wurde ein ähnlicher Ansatz für die Berechnung der Erhöhung des maximalen Biegemoments auf den Träger aufgrund von Kabelversagen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Kabelversagen durch Erhöhung des β-Wertes ein größeres Biegemoment auf den Träger erzeugt. Dies bedeutet, dass bei Systemen mit kleineren β-Werten die Biegemomente kleiner sind. Schließlich wurde eine praktische Methode zur Optimierung des Kabelabstands in seilunterstützten Brücken entwickelt, und es wurde die optimale Auslegung von seilunterstützten Brücken unter Berücksichtigung des Versagens mehrerer Kabel untersucht. Die Methode minimiert die Kosten der Brückenkonstruktion und garantiert eine gewisse Robustheit.
description: Parallel load-bearing systems are structural systems with load-bearing members that are similar in type and function and constitute alternative load paths. Cable-supported bridges are good examples of such a structural system. In the case of the failure of one of the parallel load-bearing elements (cables), the load carried by the failed member must be redistributed to the remaining structure. In this situation, the member adjacent to the failed member receives most of the redistributed load and becomes the critical member. If this member cannot tolerate the redistributed load, the collapse can progress to the subsequent members and, possibly, the entire structure. Hence, because of the vital role of the critical member in the robustness of the structural system, the focus of this study is mostly on this member. In this study, a parallel-load bearing system is considered as a conceptual model of long-span cable-supported bridges. The target is to calculate the “stress increase ratio” of the critical cablen a cable-loss scenario. The structural characteristics of the system, including the bending stiffness of the girder and a unique axial stiffness in each cable, have been taken into account. The failure of several cables has also been considered. An analytical approach based on differential equations of the system has been used, and an approximation function for the calculation of the stress increase ratio of the critical cable in a cable-loss scenario has been derived. The least squares method has been applied to minimize the error of the approximation function. The results show that by increasing the ratio of the bending stiffness of the girder to the axial stiffness of the cables (β-value), the stress increase ratio of the critical cable decreases. The acceptable accuracy of the presented approximation function has been proved by the comparison of the exact stress increase ratio values, and the one calculated from the proposed approximation function. Except for small β-values, the error of the proposed approximation function is less than 5% in the investigated systems. The developed approximation function has been used to derive a reserve-based robustness index. Besides, the structural robustness of a system segmented by zipper-stoppers has been investigated, and the stress increase ratio of the zipper-stopper in a cable-loss scenario has been examined. In addition, a similar approach for the calculation of the increase of maximum bending moment on the girder due to cable failure has been performed. The results show that by increasing the β-value, cable failure produces a larger bending moment on the girder. This means that for systems with smaller β-values, bending moments are smaller. Finally, a practical method for the optimization of cable distance in cable-supported bridges has been developed, and the optimum design of cable-supported bridges considering the failure of several cables has been investigated. The method minimizes the cost of bridge construction and guarantees a certain level of robustness.