Kevyen liikenteen vinoköysisillan rakenteellisen ratkaisun optimointi

Abstract

Analyyttiset ja graafiset laskentamenetelmät ovat jääneet nykypäivänä vähäisemmälle käytölle laskentaohjelmistojen yleistymisen myötä. Perinteiset menetelmät auttavat suunnittelijaa kuitenkin ymmärtämään paremmin rakenteen käyttäytymistä. Diplomityön tavoitteena oli tutkia vinoköysisillan toimintaa, voimien ohjaamista rakenneosissa sekä geometrian muutosten vaikutusta sillan rakenteelliseen tehokkuuteen. Laskentamenetelmänä sovellettiin graafisen statiikan Cremona-Maxwell-menetelmää vinoköysisillan voimasuureiden laskentaan ja käytettiin aksiaalivoimaindeksiä optimoinnin työkaluna. Tutkittavaksi esimerkkikohteeksi valittiin Helsingissä sijaitseva Matinkaaren kevyen liikenteen vinoköysisilta.

Aksiaalivoimaindeksi todettiin tehokkaaksi työkaluksi sillan tehokkuuden arviointiin. Pylonin kaarevuus tai köysisysteemin valinta ei vaikuta merkittävästi sillan tehokkuuteen. Harppumainen köysisysteemi yhdistettynä kaarevaan pyloniin johtaa erikoistapaukseen, jossa vain yksi takaköysi on tarpeellinen. Yhden takaköyden systeemin voidaan katsoa olevan yhtä tehokas ja kustannuksiltaan järkevä ratkaisu kuin perinteinen kevyen liikenteen vinoköysisilta suoralla pylonilla.

Esitettyä menetelmää voidaan käyttää esimerkkinä yksi- tai useampiaukkoisen vinoköysisillan alustaviin voimasuurelaskelmiin. Menetelmä on yksinkertainen ja nopea käyttää. Cremona-Maxwell-menetelmää käyttämällä erityisesti kaarevan pylonin köysisysteemiratkaisu on helppo ratkaista. Tarvittaessa muokkaamalla voimakuviota myös pylonin oman painon vaikutus olisi mahdollista ottaa huomioon iteroimalla.

The use of traditional analytic and graphic methods has become less frequent due to popularity of structural analysis software. Traditional methods help the designer to better understand how structures behave. In this master’s thesis the goal was to study how a cable-stayed bridge works, how axial forces are being guided through the structure and how changing the geometry affects the effectiveness of the bridge. Cremona-Maxwell method was applied to a cable-stayed footbridge and axial force index was used in structural optimization. Matinkaari cable-stayed footbridge was chosen as an example.

Axial force index was observed to be an effective tool for approximating the bridge effectiveness. Choosing curved or inclined pylon shape does not affect significantly the effectiveness of the bridge. Harp-shaped cable system leads to a special system where only one backstay cable is needed. Structural configuration with one backstay cable was found out to be as effective as a traditional cable-stayed footbridge with a straight pylon.

The studied method used can be used for example when calculating forces on one- or two-span cable-stayed bridges. The method is simple and rapid to use. By using Cremona-Maxwell method especially with a curved pylon, cable system solution is easy to solve. If needed, dead weight of the pylon can be taken into account in the force polygon through iteration.