Nacalculatie van een StaalBeton Brug

69
1 ERASMUS PROJECT ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• PROJECTO ERASMUS An DEJONGH June 2014 Modeling and structural analysis of the lower deck of Ponte D. Luis I

description

Calculation of a steel/concrete bridge in Flanders

Transcript of Nacalculatie van een StaalBeton Brug

Page 1: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

1    

 

   

ERASMUS  PROJECT     •••••••••••••••••••••••••••••••••••••    PROJECTO  ERASMUS  

 

 

 

 

 

 

 

   

   

   

 

 

       

 

 

An  DEJONGH  June  2014        

Modeling  and  structural  analysis  of  the  lower  deck  of  Ponte  D.  Luis  I            

Page 2: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

2    

ERASMUS  PROJECT  •••••••••••••••••••••••••••••••••••••  PROJECTO  ERASMUS  

 

 

 

 

 

 

 

   

   

   

 

 

     

 

       

   

 

An  DEJONGH  June  2014  

 

T he s i s   s ubm i t t e d   t o   ob ta in   t h e   Deg r ee   o f   M a s t e r   o f   S c i en c e   i n    E ng i n ee r i n g   T e c hno l o g y  C ons t r uc t i on      

Modeling  and  structural  analysis  of  the  lower  deck  of  Ponte  D.  Luis  I    

     

 S uperv i so r   •••   Ir.  Ricardo  Santos    Co-­‐supervisor   •••   Ir.  Stef  Pillaert    

Page 3: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

3    

Preface    

 When  the  opportunity  of  studying  abroad  was  offered  by  the  Catholic  University  of  Leuven,  I  didn’t  hesitate  for  a  moment,  I  needed  to  do  this.  The  opportunity  of  discover  a  new  country,  city,  culture  and  language  and  this  all  combined  with  an  educational  enrichment  was  too  good  to  refuse.      

Arriving  all  alone  in  Porto,  I  had  no  idea  what  to  expect  from  the  school,  neither  of  the  city  itself  and  his  inhabitants.  Luckily  for  me  I  had  a  warm  welcoming  from  the  school.  I  quickly  started  to  discover  the  city  with  all  its  beauty  and  hidden  places.  I  was  impressed  by  the  friendliness  of  the  Portuguese  people  and  the  pleasant  atmosphere  of  the  city.        

 Being  taking  out  of  my  comfort  zone,  had  a  big  impact  on  my  live  and  it  was  not  always  easy.  Although  the  experience  I    got  in  replace  is  indescribable.  What  I  learned  here  on  this  short  period  of  time  I  would  never  been  able  to  learn  if  I  had  stayed  at  home.  This  experience  taught  me  thinks  that  will  have  an  influence  on  the  rest  of  my  live.  

I    was  very  honored  to  do  a  project  about  the  Ponte  D.  Luis  I,  the  symbol  of  Porto  and  at  the  same  time  a  connection  with  my  Belgian  roots,  since  it  was  engineered  by  the  Belgian  engineer  Théophile  Seyrig.  The  structure  is  impressive  and  a  real  master  piece.  The  fact  that  it  is  situated  in  the  middle  of  the  city  center  gave  me  the  opportunity  to  make  multiple  visits  which  only  increased  my  admiration  and  interested  for  this  structure.    

To  realize  this  project  I  got  the  great  help  of  some  people  which  I  would  sincerely  like  to  thank  for  that.    First  of  all  a  special  thank  you  to  professor  Ricardo  Santos,  to  be  my  supervisor  and  helping  me  realize  this  project.  It  was  not  always  easy  and  a  lot  of  struggling  came  together  with  creating  the  3D-­‐model.  I  was  always  welcome  in  his  office  and  a  lot  of  hours  were  spend  on  realizing  the  correct  model  and  solving  my  problems  and  questions.  Thank  you  a  lot  professor  Santos  for  all  these  hours  of  great  help,  sharing  your  interested  and  knowledge  about  bridges  with  me  and  teaching  me  about  the  Portuguese  culture  and  traditions.    Secondly    a  big  thank  you  to  professor  Stef  Pillaert  to  be  my  co-­‐supervisor  in  Belgium  and  for  helping  me  with  my  questions  regarding  the  Scia  Engineering  software.  I  could  always  count  on  a  quick,  structured  and  comprehensive  answer.    I  would  also  like  to  thank  both  schools,  the  catholic  university  of  Leuven  campus  Ghent  and  Instituito  Superior  de  Engenharia  do  Porto,  for  making  this  exchange  possible.  A  special  thank  you  to  Guido  Kips,  Barbara  Wauman,  Ilse  Roelands  and  Gudrun  Van  den  Abeele  for  taking  care  of  the  paper  work  and  maintained  the  international  relations.  Also  Goreti  Araújo  ,  head  of  international  office  at  ISEP,  for  the  warm  welcoming  and  guiding  me  through  the  school.    Last  but  not  least  I  would  like  to  thank  Pedro  Ribeiro  da  Silva,  for  offering  me  a  work  spot  in  his  architect  office,  Anarchlab.  Roisin  Slattery  and  Jan  Reynders  for  correcting  the  grammatical  English.    A  special  thank  you  to  engineer  Thomas  Alaert  for  the  help  that  he  offered  me  and  Héctor  Termenon  Lopez  for  borrowing  me  his  computer,  when  mine  was  broken  and  of  course  my  parents  and  boyfriend  for  the  emotional  support.    

Page 4: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

4    

 Copyright  

The   authors   give   permission   to   make   this   Master's   thesis   available,   on   paper   and   digital,   for  

consultation  and  to  copy  parts  of  the  Master's  thesis  for  personal  use.  Any  other  use  falls  under  the  

limitations   of   the   copyright,   especially   with   regard   to   the   obligation   of   mentioning   the   source  

explicitly  on  quoting  the  results  of  this  Master's  thesis.  

 

Direitos  de  autor  

Os   autores   dão   autorização   para   consultar   esta   tesenas   versões   impressa   e   digital,   e   para   copiar  

partes  para  uso  próprio.  Qualquer  outro  uso  está  sujeito  aos  limites  estritos  dos  direitos  de  autor;  em  

partucular,   é   feita   referência   à     obrigação   de   indicar   a   fonte   explicitamente   ao   citar   os   resultados  

desta    tese.  

 

Toelating  tot  bruikleen  

De  auteurs  geven  de  toelating  deze  masterproef  op  papier  en  digitaal  voor  consultatie  beschikbaar  te  

stellen   en   delen   ervan   te   kopiëren   voor   eigen   gebruik.   Elk   ander   gebruik   valt   onder   de   strikte  

beperkingen   van   het   auteursrecht;   in   het   bijzonder   wordt   er   gewezen   op   de   verplichting   de   bron  

uitdrukkelijk   te   vermelden   bij   het   aanhalen   van   de   resultaten   van   deze   masterproef.

Page 5: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

5    

Abstract      

This  work  is  in  sequel  to  the  thesis  “Modelling  and  structural  analysis  of  Ponte  D.  Luis  I”  written  by  my  colleagues  Jan  Daniëls  and  Sara  Pieters  in  the  academic  year  2012-­‐2013.  In  this  dissertation  the  lower  deck  of  the  Ponte  D.  Luiz  I  bridge  is  modelled  and  structurally  analyzed.  

A  full  3D  model  is  created,  based  on  the  original  survey  conducted  in  1954    and  local  observations  made  on  visits  to  the  site.  The  calculations  were  performed  using  a  finite  element  model  and  the  software  Scia  Engineering,  with  the  loads  defined  on  Eurocode  1,  Parts  1  and  2.  

Stresses  and  deformations  —considering  second  order  effects—were  calculated  in  order  to  check  the  safety  of  this  sub-­‐structure  to  the  loads  defined  on  the  Eurocodes.  These  values  are  closer  to  the  loads  the  bridge  has  to  endure  nowadays  than  the  loads  it  had  to  bear  at  the  time  of  its  construction.  

 

keywords:  Porto;  Ponte  D.  Luis  I;  Theophile  Seyrig;  Iron  arch  bridge;  finite  element  method  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 6: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

6    

Abstrato    

Este  trabalho,  que  surge  na  sequência  da  tese  “Modelling  and  Structural  analysis  of  Ponte  D.  Luís   I”  realizado  pelos  meus  colegas  Jan  Daniels  and  Sara  Pieters  durante  o  ano  lectivo  2012-­‐2013.   Nesta   dissertação,   o   tabuleiro   inferior   da   Ponte   D.   Luis   I   é   modelado   e   analisado  estruturalmente.    

Foi   criado   um   modelo   3D   baseado   no   projecto   original   levado   a   cabo   em   1954   e   em  observações   efectuadas   ao   local.   Os   cálculos   foram   realizados   utilizando   o   Método   de  Elementos  Finitos  e  o  software  de  Engenharia  SCIA,  com  as  cargas  definidas  no  Eurocódigo  1,  Partes  1  e  2.  

O  stress  e  as  deformações  –  considerando  os  efeitos  de  segunda  ordem  –  foram  calculados  de  forma   a   verificar   a   segurança   desta   sub-­‐estrutura   em   relação   ás   cargas   definidas   no  Eurocódigo.  Estes  valores  estão  mais  próximos  das  cargas  que  a  ponte   tem  de  suportar  hoje  em  dia,  do  que  as  cargas  que  teve  de  suportar  na  altura  da  sua  construcção.  

Palavras-­‐chave:  Porto;  Ponte  D.  Luís  I;  Theophile  Seyrig;  Ponte  em  arco  de  ferro;  Método  dos  Elementos  Finitos  

   

Page 7: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

7    

Abstract    

Dit  werk  is  een  vervolg  op  de  thesis  “Modeling  and  structural  analysis  of  Ponte  D.  Luis  I”    geschreven  door  mijn  collegas  Jan  Daniëls  en  Sara  Pieters  in  het  academiejaar  2012-­‐2013.  In  dit  werk  wordt  het  onderdek  van  de,  Ponte  D.  Luiz  I-­‐brug  gemodeleerd  en  structureel  geanalyseerd.    

Een  volledig  3D  model  werd  gemaakt,  gebaseerd  op  originele  plannen  uit  1954  en  locale  observatie  gedaan  ter  plaatsen.  De  berekeningen  worden  uitgevoerd  gebruikmakend  van  de  eindige  elementen  methode  and  de  software  Scia  Engineering,  met  de  ladingen  gedefineerd  volgens  Eurocode  1,  deel  1  en  2.    

Spanningen  en  vervorming    -­‐  2de  orde  effecten  in  rekening  gebracht  -­‐  zijn  berekend  in  functie  van  het  controleren  van  de  veiligheid  van  deze  onderbouw  met  de  belastingen  erop,  gedefinieerd  volgens  de  Eurocodes.  De  waarden  hiervan  leunen  meer  aan  tegen  de  ladingen  die  de  brug  hedendaags  moet  aankunnen  dan  de  ladingen  waarvoor  ze  oorspronkelijk  ontworpen  was.        

 

Sleutelwoorden:  Porto;  Ponte  D.  Luis  I;  Theophile  Seyrig;  Iron  arche  bridge;  EEM  

   

Page 8: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

8    

Table  of  Contents    Preface  ..........................................................................................................................................  3  

Abstract  .........................................................................................................................................  5  

Abstrato  ........................................................................................................................................  6  

Abstract  .........................................................................................................................................  7  

List  of  illustrations  .......................................................................................................................  10  

List  of  tables  ................................................................................................................................  11  

1.   Introduction  ........................................................................................................................  12  

2.   Modeling  .............................................................................................................................  13  

2.1.   Description  ..................................................................................................................  13  

2.2.   Measurements  ............................................................................................................  14  

2.3.   Sections  .......................................................................................................................  15  

2.4.   Simplifications  and  contraditions  ................................................................................  15  

2.5.   Properties  ....................................................................................................................  17  

3.   Loads  ...................................................................................................................................  20  

3.1.   Self  weight  ...................................................................................................................  20  

3.2.   Vertical  loads  ...............................................................................................................  20  

3.2.1.   Load  model  1  .......................................................................................................  21  

3.2.2.   Load  model  4  .......................................................................................................  24  

3.3.   Horizontal  loads  ..........................................................................................................  24  

3.4.   Wind  ............................................................................................................................  25  

3.4.1.   Wind  Load  on  the  deck  .......................................................................................  25  

3.4.2.   Wind  effect  on  the  pillars  ....................................................................................  30  

3.5.   Thermal  actions  ...........................................................................................................  30  

4.   Combination  of  action  ........................................................................................................  34  

5.   Controlling  the  model  .........................................................................................................  36  

5.1.   Classification  ...............................................................................................................  36  

5.2.   Buckling  .......................................................................................................................  39  

5.3.   Lateral  torsional  buckling  ............................................................................................  45  

5.4.   Relative  deformation  ..................................................................................................  45  

5.5.   Model  0  .......................................................................................................................  46  

6.   Calculations  .........................................................................................................................  49  

6.1.   General  simplifications  ................................................................................................  49  

Page 9: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

9    

6.2.   Calculation  Load  model  1  ............................................................................................  50  

6.2.1.   Position  of  the  tandem  system  ...........................................................................  52  

6.2.2.   Percentage  dead  load  .........................................................................................  58  

6.2.3.   General  ................................................................................................................  59  

6.3.   Calculation  Load  model  4  ............................................................................................  60  

6.3.1.   Percentage  dead  load  .........................................................................................  64  

6.3.2.   General  ................................................................................................................  66  

7.   Conclusion  ...........................................................................................................................  67  

Bibliography  ................................................................................................................................  68  

Annexes  .......................................................................................................................................  69  

 

 

 

   

Page 10: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

10    

List  of   i l lustrations    

Figuur  1:  measurement  of  tietruss  .............................................................................................  14  

Figuur  2:  arch  formed  deck,  picture  (left)  –  flat  formed  deck,  3D  model  (right)  ........................  15  

Figuur  3:  section  of  the  deck  by  the  original  plans  (left)  –  photo  of  the  deck  from  bottom  view  (right)  ..........................................................................................................................................  16  

Figuur  4:  bottom  view  deck,  3D  model  .......................................................................................  16  

Figuur  5:  bridge  –  picture  (up)  –  model  (down)  ..........................................................................  18  

Figuur  6:  detail  pillar  bottom  view  –  picture  (left)  –  model  (right)  .............................................  18  

Figuur  7:  structural  reinforcement-­‐  picture  (left)  –  model  (right)  ..............................................  19  

Figuur  8:  pillar,  bottom  view  –picture  (left)  –  model  (right)  .......................................................  19  

Figuur  9  Application  of  TS  and  UDL  along  the  longitudinal  axis  -­‐Application  of  LM1  on  the  notional  lanes-­‐  Location  of  tandem  system  for  the  verification  of  short  structural  members  ...  21  

Figuur  10  directions  of  the  axes  of  the  wind  on  bridges  .............................................................  25  

Figuur  11:  solidity  ratio  ...............................................................................................................  29  

Figuur  12    terrain  category  and  terrain  parameters  ...................................................................  29  

Figuur  13:  diagrammatic  representation  of  constituent  components  of  a  temperature  profile  30  

Figuur  14:  Thermal  map  of  Portugal  for  Tmin    (left)  and  Tmax  (right)  .............................................  31  

Figuur  15:  effective  mimimum  and  maximum  temperature  ......................................................  31  

Figuur  16:  possibility  too  expand  ................................................................................................  32  

Figuur  17:  classification  of  the  web  ............................................................................................  38  

Figuur  18:  classification  of  the  flanges  ........................................................................................  38  

Figuur  19:  bridge,  buckling  control  .............................................................................................  39  

Figuur  20:  cross  section  T1  ..........................................................................................................  39  

Figuur  21:  buckling  curves  ..........................................................................................................  41  

Figuur  22:  cross  section,  T2  .........................................................................................................  42  

Figuur  23:  Von  Mises  stress,  self  weight  .....................................................................................  48  

Figuur  24:  differences  between  the  bridge  and  the  2D/3D  model  .............................................  49  

Figuur  25:  maximum  internal  forces  on  beams,  LM1  .................................................................  52  

Figuur  26:  combination  key  ........................................................................................................  53  

Figuur  27:  representation  of  beam  s14367  .................................................................................  54  

Figuur  28:  Stress  in  beam  s14367,  model1  .................................................................................  54  

Figuur  29:  Stress  in  beam  s16149  ...............................................................................................  55  

Figuur  30:  representation  of  beam  s16149  .................................................................................  55  

Page 11: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

11    

Figuur  31:  representation  of  beam  s  10783  ................................................................................  56  

Figuur  32:  Stres  in  beam  s10783  .................................................................................................  56  

Figuur  33:  representation  of  beam  s15017  .................................................................................  57  

Figuur  34:  stress  in  beam  s15017  ................................................................................................  57  

Figuur  35:  Reactionforces  ...........................................................................................................  58  

Figuur  36  Von  Mises  stress  in  LM1  ..............................................................................................  59  

Figuur  37:  maximal  internal  froces,  LM4  ....................................................................................  60  

Figuur  38:  Combinationkey,  LM4  ................................................................................................  61  

Figuur  39:  representation  of  beam  s15017  .................................................................................  62  

Figuur  40:  representation  of  beam  s15017  .................................................................................  62  

Figuur  41:  representation  of  beam  s10783  .................................................................................  63  

Figuur  42:  stress  in  beam  s10783,  LM4  .......................................................................................  63  

Figuur  44:  von  mises  stress,  LM4  ................................................................................................  66  

 

List  of  tables  

 

Tabel  1:  projcet  data  (left)  –  wrought  iron  properties  (right)  .....................................................  17  

Tabel  2:  number  and  width  of  notional  lanes  .............................................................................  22  

Tabel  3:  load  model1,  characteristic  values  ................................................................................  22  

Tabel  4:  load  classes  for  road  bridges  .........................................................................................  23  

Tabel  5:  uniform  linear  gradient  over  a  vertical  direction  ..........................................................  33  

Tabel  6:  desing  valeus  of  actions  (STR/GEO)  (Set  B)  ...................................................................  34  

Tabel  7:  recommended  values  of  ψ  factor  for  road  bridges  .......................................................  35  

Tabel  8:  selection  of  buckling  curve  for  a  cross-­‐section  .............................................................  41  

Tabel  9:  Reaction  forces  of  the  deck  subjected  to  dead  loads  ....................................................  47  

Tabel  10:  dead  load  of  the  suspension  trusses  ...........................................................................  48  

Tabel  11:  description  of  the  different  loadcases,  LM1  ................................................................  51  

Tabel  12:  description  of  the  different  load  cases,  LM4  ...............................................................  60  

Tabel  13:  Reaction  forces  LM4  ....................................................................................................  65  

   

Page 12: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

12    

1. Introduction    

This  assignment  is  a  sequence  to  “Modeling  and  structural  analysis  of  Ponte  D.  Luis  I”,  written  by  my  colleagues  Jan  Daniëls  and  Sara  Pieters.    In  this  sequel  on  their  work  the  lower  deck  of  Ponte  D.  Luis  I  is  modeled  and    analyzed.      For  the  first  part  of  this  work,  a  model  was  created  in  scia  engineer.  A  lot  of  time  was  needed  to  obtain  the  right  skills  to  tune  the  model  into  a  very  detailed  model.    

Secondly  ,  the  determination  of  the  different  loads  and  description  of  the  different  load  models  was  done  according  to  Eurocode  1.    

For  the  third  part  classifications  and  other  general  controls  are  done  by  hand.    

The  loads  described  in  the  second  part  are  now  put  together  on  different  models  were  their  effect  is  generated  and    analyzed.    

In  the  last  part,  the  model  is  fully  discussed  and  a  final  conclusion  together  with  suggestion  for  the  structure  is  given.    

 

 

 

 

 

   

Page 13: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

13    

2. Modeling    

2.1.  Description    

The  bridge  Pond  D.  Luis  I.  is  the  biggest  tourist  attraction  of  Porto,  located  in  the  middle  of  the  centre  connecting  the  city  centre  of  Porto  and  Vila  Nova  de  Gaia.  The  bridge  was  realized  from  1881  to  1886  and  became  famous  with  the  name  ‘Eiffel  Bridge’,  meanwhile  the  bridge  was  designed  by  the  Belgian  engineer  Théophile  Seyrig.    

The  bridge  consist  out  of  3  parts,  the  upper  deck,  the  arch  and  the  lower  deck.  On  the  upper  part  a  metro-­‐connection  between  the  two  cities  is  realized,  as  well  as  a  relatively  safe    sidewalk  for  pedestriants  to  cross  from  one  city  to  the  other.  The  lower  part  is  designed  for  the  traffic  of  motor  vehicles  to  pass  between  the  two  cities.  Also  a  narrow  footpath  is  provided  which  enables  the  pedestrians  to  cross  the  bridge  by  the  bottom  deck.  Eventhough  this  facility  for  pedestriants  is  less  safe,  in  comparison  to  the  option  on  the  upper  deck,  it  is  frequently  used,  especially  by  tourists.    

The  structural  part  of  the  lower  deck  amounts  174m  in  length  and  8.4m  in  wide.    The  deck  is  provided  with  two  car-­‐lanes  (8.14m),  each  with  a  different  direction,  and  on  each  side  of  the  deck  a  sidewalk  (1.2m).  The    structure  is  suspended  from  4  tie-­‐trusses,  which  are  each  connected  to  the  arch.  The  two  outer  tie-­‐trusses  have  a  height  of  25.5  m.  The  two  in  the  middle  have  a  height  of  41.3m.  The  bridge  is  a  pony  truss  bridge,  symmetrical  around  its  middle.    

To  invert  this  structure  into  a  model  several  sources  are  used.  The  basic  model  is  created  from  the  original  plans.  The  plans  are  old,  hard  to  read  and  are  missing  essential  dimensions.  In  order  to  complete  and  define  the  model,  extra  dimensions  were  necessary.  These  dimensions  were  obtained  by  measurements,    done  by  professor  Santos  and  student  An  Dejongh.  Multiple  visits  to  the  bridge  were  necessary  in  order  to  check  the    dimensions,  define  the  orientations  and  the  composition  of  sections,  establish  the  types  of  connections  and  supports  and  to  eliminate  doubts  and  contradiction  between  the  different  plans.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 14: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

14    

2.2.  Measurements    

The  extra  measurements  done  by  professor  Santos  and  An  Dejongh,  with  ‘HILTI  PD32  laser  range  meter’,    are  mostly  related  to  the  tie-­‐trusses.  The  plans  give  no  specification  of  them,  assign  were    only  related  to  the  dimensions  of  the  autoCAD-­‐file  PONTE001.DWG.  The  autoCAD-­‐file  on  the  other  hand  had  no  information  about  the  chord  truss  at  the  bottom  of  the  tie-­‐trusses.  This  elements  contributes  to  the  stiffness  of  the  structure  and  also  prevents  the  pillars  from  buckling,  they  are  seen  as  important  structural  elements,  which  need  to  be  taken  into  account.  

 The  method  applied  for  these  measurements  is  based  on  simple  trigonometry,  as  shown  in  figure  1.  

                               

The  unknown  dimension  d,  is  calculated  out  of  the  other  measured  dimension  by  applying  the  Pythagorean  triple.  The  measurements  can  be  found  in  the  annex  1.  The  general  height  of  the  first  element  is  also  measured  in  order  to  compare  with  the  dimension  given  in  autoCAD-­‐file  PONTE001.DWG.  This  measurement  was  very  close  to  the  dimension  given  in  the  autoCAD  file.  The  other  dimensions  for  the  tie-­‐trusses,  are  also  taken  out  of  this  file,  since  it  was  not  possible  to  do  this  measurements  our  self,  with  the  available  material.                  

Figuur  1:  measurement  of  tietruss  

Page 15: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

15    

2.3. Sections    The  model  is  a  simplified  version  of  the  reality,  which  only  contains  structural  elements  and  pinned  and  rigid  connections.  The  simplifications  are  made  in  such  a  way  that  the  reality  is  approached  as  accurate  as  possible.      The  following  important  specifications  are  made  regarding  the  sections  and  connections.    Where  possible  the  sections  are  substitute  by  commercial  sections.  This  choice    is  based  on  common  area  and  moments  of  inertia,  taken  into  account  is  the  formula  for  tension:    

σ =  !!+  !! ∗ !!!

+  !! ∗ !!!

 

 There  were  the  construction  is  mostly  subjected  to  deflection,  the  moment  of  inertia  is  the  most  important  parameter  to  admit.  The  deck  is  designed  in  a  way  that  the  beams  are  principally  burdened  on  their  strongest  axis.  For  finding  a  suitable  commercial  section,  the  moment  of  inertia  of  the  strongest  axis  needed  to  be  correct.    The  diagonals  on  the  side  of  the  bridge,  are  mostly  subjected  to  axial  forces  and  buckling.  Therefore  the  area  is  the  most  important  parameter.  When  choosing  a  replaceable  profile,  the  area  must    be  identical.        About  the  tie-­‐trusses  no  information  was  available,  the  cross-­‐sections  are  defined  based  on  the  pictures.    

2.4.  S implif ications  and  contradit ions      The  deck  is  modeled  flat,  in  reality  it    has  an  arch  form,  see  figure  2.  This  simplification  has  affects  on  the  load  transmission.  Under  the  arch  form  a  small  part  of  the  transversal  load  will  be  transferred  to  an  axial  load.  The  arch  is  orientated  in  a  way  that  it  will  reduce  the  deflection.  Due  to  this  signification  in  the  SCIA  model  the  value  of  axial  forces  will  be  a  little  bit  too  low  and  the  deformation  of  the  deck  will  be  higher  than  in  reality.    

 Figuur  2:  arch  formed  deck,  picture  (left)  –  flat  formed  deck,  3D  model  (right)  

Page 16: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

16    

Sometimes  there  were  contradictions  between  the  plans  and  reality.  For  example  an  important  error  on  the  plans,  is  the  cross  section  of  the  beams,  indicated  by  the  red  arrow,  on  figure  3.  In  reality  this  is  no  I  beam,  see  figure  3  and  4.        

 

 

                                                     

Figuur  3:  section  of  the  deck  by  the  original  plans  (left)  –  photo  of  the  deck  from  bottom  view  (right)  

Figuur  4:  bottom  view  deck,  3D  model  

Page 17: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

17    

 

2.5.  Properties    The  model  is  very  detailed,  and  consist  out  of  an  wrought  iron  structure  with  concrete  slabs.  An  overview  of    the  properties  of  the  project  data  is  given  in  table  2  ,  the  material  properties  of  wrought  iron  are  given  in  table  1  1.    

 Wrought  iron      

!!"   157,5N

mm!  

!!"     105  N

mm!  

E   192,7   !"!!!  

νs   0,2554  

ρ   7700  kg/m!  

ρ  with  paint  and  rivets  included  

8400  kg/m³  

!2     0,00001  m/°C  

 

To  obtain  the  design  yield  stress  the  following  formula  is  applied:    

  f!"   =!!"γ!   with   fyk  :  the  characteristic  yield  stress  

        γs:  reduction  factor  for  materials              As  reduction  factor  for  materials,  γs  =  1,5    is  used  instead  of  the  normal  γs  =  1,15.  This  is  done  in  order  to  take  into  account    the  not  as  homogeneous  structure  of  wrought  iron.  ,  γs  =  1,15      

The  big  amount  of  nodes  and  beams  indicates  the  complexity  of  the  model.  The  following  figures  5,6,7  and  8  compare  the  structure  with  the  model.  

 

                                                                                                                         1  Jan  Daniëls,  Sara  Pieters,  Modeling  and  structural  analysis  of  Ponte  D.  Luis  I,  2013  

   

Tabel  1:  projcet  data  (left)  –  wrought  iron  properties  (right)  

Page 18: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

18    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

   

Figuur  5:  bridge  –  picture  (up)  –  model  (down)  

Figuur  6:  detail  pillar  bottom  view  –  picture  (left)  –  model  (right)  

Page 19: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

19    

 

 

Figuur  8:  pillar,  bottom  view  –picture  (left)  –  model  (right)  

Figuur  7:  structural  reinforcement-­‐  picture  (left)  –  model  (right)  

Page 20: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

20    

3. Loads  

3.1.  Self  weight      

Dead  loads  of  the  structure  and  the  deck    are  the  same  as  applied  in  the  previous  model.    

Gk  =5,15  kN/m².  

Total  permanent  dead  load:  2,02  +  3,13  =  5,15kN/m²  

 

3.2. Vertical   loads    

For  the  vertical  loads,  4  different  load  models  are  defined  in  EN  1991-­‐23:  

• A  main  load  model  (LM1),  including  concentrated  loads  (tandem  systems,  called  TS)  and  uniformly  distributed  loads  (called  UDS)  and  applicable  to  all  bridges  

•  A  model  consisting  of  a  single  axle  with  two  wheels  (LM2),  in  addition  to  the  previous  one  (LM1)  for  the  verification  of  short  structural  members  (3-­‐7m)  

• A  model  made  up  by  a  set  of  special  vehicles  intended  to  take  into  account  the  effects  of  exceptional  convoys  (LM3)  

• A  model  corresponding  to  the  loading  of  the  surface  of  the  bridge  with  a  uniformly  distributed  load  of  5  kN/m²,  corresponding  to  the  effects  (dynamic  amplification  included)  of  a  crowd  (LM4).  

For  this  study  load  model  1  and  4  are  taken  into  account.    

Load  model  1  is  the  most  general  model,  the  model  mimics  the  common  traffic  effects.  It  takes  in  account  the  uniformly  distributed  loads  and  the  point  forces  caused  by  the  vehicles.  The  model  gives  information  about  local  and  general  effects.    Load  model  4,  the  model  that  generates  the  effect  of  a  crowd  has  to  be  checked  since  the  bridge  is  used  for  events,  such  as  sport  events.    Load  model  3  doesn’t  need  to  be  generated,  since  the  bridge  is  limited  for  vehicles  up  till  30  ton,  special  vehicles  are  redirected  through  another  route.      

 

 

 

                                                                                                                         3  J.  Calgaro,  M.  Tschumi,  H  Gulvanessian,  “Designers’  guide  to  Eurocode  1:  Actions  on  bridges:  EN  1991-­‐2,  EN  1991-­‐1-­‐1,-­‐1-­‐3  to  -­‐1-­‐7  and  EN  1990  Annex  A2”,  Thomas  Telford,  London,  UK,  2010,  ISBN  978-­‐0-­‐7277-­‐3158-­‐6,  p.  84  –  97;  p.  216  -­‐  221  

Page 21: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

21    

3.2.1. Load  model  1      

This  model  is  based  on  the  guidelines  given  in  NBN  EN  1991-­‐2,  version  of  2013,  in  combination  with  the  national  annex  and  the  book  ‘Designers’  guide  to  Eurocode  1:  Actions  on  bridges  EN1991-­‐2,  EN1991-­‐1-­‐1,  -­‐1-­‐3  to  -­‐1-­‐7  and  EN1990  Annex  A2.    

 

 

Figuur  9  Application  of  TS  and  UDL  along  the  longitudinal  axis  -­‐Application  of  LM1  on  the  notional  lanes-­‐  Location  of  tandem  system  for  the  verification  of  short  structural  members  

To  use  a  various  load  model,  the  carriageway  needs  to  be  divided  into  notional  lanes.    Depending  on  the  width  w,  the  carriageway  has  to  be  divided  into  the  greatest  possible  integer  number  of  notional  lanes,  n1.  The  width  w,  is  measured  between  the  kerbs,  situation  (b)  on  figure  10.  Table  2  is  used  to  find  the  number  of  notional  lanes.    

                           

       

Figuur  10:  carriageway  widths    

Page 22: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

22    

                 

w  =  5,79  m  

 5,4  m   ≤ w   < 6m              

nl  =  2    

w! =  !2=  5,79  !2

= 2, 895  !  

with    

w  :  width  of  the  deck  measured  between  kerbs  n1  :  greatest  number  of  notional  lanes  w1  :  width  of  a  notional  lane    

 The  lanes  are  numbered  in  a  way  that  the  lane  with  the  most  negative  effect  gets  the  lowest  number.  Taken  into  account  rule  5  of  4.2.4  Location  and  numbering  of  the  lanes  for  design,  NBN  EN  1991-­‐24  :    “Where  the  carriageway  consists  of  two  separate  parts  on  the  same  deck,  only  one  numbering  should  be  used  for  the  whole  carriageway.”  So  both  lanes  are  considered  as  one  single  lane  with  lane  number  1.      The  vertical  loads  on  the  lane  can  be  divided  in  2  different  categories.    The  loads  due  to  a  tandem  system  including  two  axles  TS  and  the  uniformly  distributed  loads  (UDL).  For  TS  only  complete  tandem  systems  are  taken  into  account.  The  UDL  is  only  placed  when  it  generates  a  global  unfavorable  effect.    The  characteristic  values  are  found  back  in  table3.  

               

                                                                                                                         4  NBN  EN  1991-­‐2,  p  33  

Tabel  2:  number  and  width  of  notional  lanes  

Tabel  3:  load  model1,  characteristic  values    

Page 23: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

23    

The  adjustment  factors  take  into  account  the  various  types  of  traffic,  are  given  by  table  4.  The  Luis  I  bridge  is  considered  as  a  2nd  class  road  bridges.    

 Tabel  4:  load  classes  for  road  bridges    

 This  gives  the  following  results:        TS:      αQ  x  Q1k  =  0,9  x  300  kN  =270  kN    

Wheel  load:    0,5  x  αQ  x  Q1k  =  0,5  x  0,9  x  300  kN  =  135  kN/wheel  

UDL:      αq  x  q1k  =  0,7  x  9  kN/m²  =  6,3  kN/m²  

αq,  pedes  x  qfk,  pedes  =  0,7  x  2,6  =  1,82  kN/m²    

The    wheel  loads  of  the  tandem  system  are    divided  loads  on  a  surface  of  0.4m  by  0.4m  .  Inputting  them  as  point  loads  is  not  allowed  because  this  would  created  very  high  local  effects.      The  loads  on  the  sidewalk  are  the  same  as  these  for  footbridges,  where  the  divded  load  is  obtained  with  the  following  siplificated  formula:    

!!" = 2.0 +  120! + 30

!"!!  

                                     =  2 +120

174 + 30!"!!  

= 2,6!"!!  

with     L:  the  loaded  length  in  meter  

 

qfk  must  be  2,5  !"/!² ≤  !!"  ≤ 5  !"/!²,  so  the  value  2,6  !"/!²  is  accepted.    

 

 

 

 

 

 

Page 24: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

24    

3.2.2. Load  model  4      

The  distributed  load  that  represents  the  effect  of  a  crowd  is  5  kN/m².  

 

3.3.  Horizontal   loads    

Longitudinal  forces  due  to  breaking  and  acceleration,  take  on  the  surfacing  level  of  the  carriageway.  The  characteristic  value  is  limited  to  900  kN  and  is  calculated  as  a  fraction  of  the  total  maximum  vertical  loads  due  to  LM1  and  applied  on  lane  number  1.  

!!" =  0,6  !!! 2!!! +  0,1  !!!  !!!!!  !    

180  !!! !" ≤  !!"  ≤ 900  (!")      

with  L:       length  of  deck  or  the  part  of  it  that  under    2!!!:   weight  of  the  two  tandem  systems  (TS),  applied  on  lane  No.  1    !!!:     density  of  the  uniformly  distributed  load  on  lane  No.  1    !!:       width  of  lane  No.  1    !!!:   An  adjustment  factor  depending  on  the  load  class    !!!:     An  adjustment  factor  depending  on  the  load    

 

For  the  bridge,  the  following  values  are  applied;  L  =  174  m  

2!!!=    2*300  =  600  kN  !!! =  9  kN/m  ²  !!  =  2, 895  !  

!!!=  0,9  !!!=  0.7    

!!" =  0,6 ∗ 0,9   600 +  0,1 ∗ 0,7 ∗  9 ∗ 2.895 ∗ 174 = 641.35  !"  

!!"  is    accepted    162  !" ≤ 641.35 ≤ 900  !"      

This  load  is  distributed  over  the  deck  as  a  surface  load   !"#.!"!"#∗!,!"

= 0,45  kN/m!.  

 

 

Page 25: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

25    

3.4.  Wind    

3.4.1. Wind  Load  on  the  deck      

The  calculation  of  the  wind  load  is  based  on  EN  1991-­‐1-­‐4  in  combination  with  the  Portuguese  national  annex.  

For  the  wind  only  1  of  the  4  wind  directions  is  calculated.  In  the  most  common  situations  the  wind  blows  over  the  bridge  originating  from  the  west  or  the  east.  Which  corresponds  with  wind  coming  from  the  ocean  towards  the  land  or  the  other  way  around,  from  the  land  towards  the  ocean.  More  unusual  situations  when  the  wind  is  blowing  from  the  north  or  the  south  are  not  taken  into  account.  The  stiffness  of  the  bridge  along  with  the  longitudinal  length  is  high  enough  to  carry  this  force.      The  western  wind  comes  in  from  the  Atlantic  Ocean  and  is  stronger  than  the  eastern  wind.  Therefore  only  the  wind  originated  in  the  west  is  calculated.    

 

• Calculations  of  horizontal  forces  on  the  deck  

In  the  situation  where  the  wind    comes  from  the  west,  the  wind  loads  will  be  attached  on  the  x-­‐direction  of  the  deck,  see  fig11  .  This  x-­‐direction  corresponds  with  the  width  of  the  deck,  perpendicular  to  the  span.    

 

 

 

 

     

                     

Figuur  10  directions  of  the  axes  of  the  wind  on  bridges  

Page 26: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

26    

There  is  no  dynamic  response  calculation  required,  this  allows  the  use  of  a  simplified  method  with  the  following  formula:

!! =  !!∗  ! ∗  !!! ∗ ! ∗  !!"#,!  

 !!!!"#,!

=  !!∗  ! ∗  !!! ∗ !  

With:  

  ρ    :  air  density     vb  :  basic  wind  speed     C  :    global  wind    factor     Aref,x  :  reference  area  in  the  x  direction  (  =  A1)  

sum  of  the  projected  surfaces  of  the  profiles  perpendicular  to  the  most  unfavourable          wind  direction.  

 Important  remark:    

1) when   the   reference   area   is   used   in   combination   with   traffic   loads,   in   the   case  where  traffic  loads  are  the  leading  action  an  additional  height  d*  should  be  taken  into  account.   For   road  bridges  d*=  2  m   from   the   level  of   the   carriageway   to   the  most   unfavourable   length   on   the   deck,   independently   from   the   position   of   the  vertical  components  of  the  traffic  load.  

 Since  this  bridge  is  one  of  the  rare  cases  where  the  fences  are  higher  than  the  actual  vehicles  riding  on  the  bridge,  d*  will  be  smaller  than  d.  For  this  reason  no  distinction  is  made  between  traffic  loads  as  leading  or  non-­‐leading  action,  and  height  d  is  applied  in  both  cases.      

• vb  

The  basic  wind  value  vb  is  calculated  using  the  following  formula;    

vb  =  cdir  x  cseason  x  vb,0    =  1  x  1  x  30                                              =  30  m/s    

with      vb  :  basic  wind  speed  cdir  :  wind  direction  factor    cseason  :  season  factor  vb,0  :    fundamental  factor  of  the  basic  wind  speed    

                 cdir  =  1                cseason  =  1    

 vb,0    depends  on  the  zone  in  which  the  construction  is  situated.    Zone  A:  the  majority  of  territories,  except  for  those  who  belong  to  zone  B.  Zone  B:  the  Azores,    Madeira  and  mainland  regions  located  in  a  coastal  zone  off  5  km  wide  or  at  altitudes  above  600  m.  

The  bridge  is  situated  in  zone  B,  which  corresponds  to  a  value  vb,0  =  30  m/s.  

Page 27: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

27    

• wind  load  factor      C  =  ce  *  cf,x  =  1.95  *  1.3                =  2.536  

with     ce  :  exposure  factor  cf,x  :  drag  coefficient  for  wind  actions  

   

   c!,! =   c!,!" =  1.30  

with     cf,x0  :  force  coefficient  without  free-­‐end  flow    

 

  !! ! =   !!(!)!!

 =  !"#$.!"!"#.!

 =  1.95  

      with     q  p(z)  :  extreme  thrust  on  high  z  q  b:  basic  thrush    

               

    !! =  !!∗  ! ∗ !!! =  

!!∗ 1,25 ∗ 30  !        

               =  562.5     !!!  

with          ! =  density                 !! =  basic  wind  speed        

 ! = 1,25   !"!!      

      !! = 30  !!    

                   

q!(!) =  1 + 7 ∗   I! z ∗  !!∗  ρ ∗  v!! z  =  (1  +  7  *0.18)  ∗  !

!∗ 1  .25 ∗  27.87!  

                         =  1097.14   !

!!    

with              I! z :  turbulence  intensity  at  height  z    ρ  :  density      v!:    mean  wind  speed                      

Page 28: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

28    

                         ρ = 1,25   !"!!    

 

v! z =   c! z ∗  c! z ∗  v! = 0.929 ∗ 1 ∗ 30                        =    27.87    !

!  

            with     c! z :  roughness  factor               c! z :    orography  factor    

v!:  basic  wind  speed        

c! z = 1  

c! z =  k! ∗ lnzz!= 0,170 ∗ ln

11.80,05

 

                     = 0.929    

with     k!:  roughness  factor  depending  on  the      roughness  length  z0  

         Values  for  z0  and  z0,II,  terrain  category  I  are  erased  from  figure  6  

k! = 0,19 ∗z!z!,!!

!,!"

= 0,19 ∗0,010,05

!,!"= 0,170  

 

                                                                         I! z =  σ!

v!(z)=  

4.6825.57

= 0,18  

with   σ!:  standard  deviation  of  the  turbulence    

v!(!):    mean  wind  speed  at  height  z  

σ! =  k! ∗ v! ∗ k!  =  0.156 ∗ 30 ∗ 1                  =  4.68!

!  

 with   k!:  roughness  factor    

v!:  basic  wind  speed  k!:  turbulence  factor  

 k! = 0.156  

vb  =  30  !!                

k! = 1            

Page 29: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

29    

=>  F!A!"#,!

=  12∗  1,25 ∗  30! ∗ 2.536 = 1426.5

Nm! = !.!"#  

!"!!  

with   Aref,x  =  322.78  m      

A2  =  563.76  m2    Since  Aref,x  is  not  practical  to  work  with  in  the  SCIA  model,  the  loads  will  be  put  on  A2.  With  A2  :  sum  of  the  whole  projected  surface  of  the  profiles  perpendicular  to  the  most  unfavourable  wind  direction.        

F!A!

=  F!A!"#,!

∗  A!"#,!A!

= 1.427 ∗  322.78  563.76  

 =  !.!"#!"!!  

 This  force  is  put  on  the  first  side  of  the  bridge.  For  the  second  side  of  the  solidity  ratio  is  taken  into  account.    The  solidity  ratio  is  described  in  the  following  expression:      

ϕ    =   A!!=   !"".!"    !

!

!"#.!"    !! = 0,57          

with     A:  sum  of  the  projected  areas  of  the  members    Ac  :  the  overall  envelope  area    

          A  =  322.78  m2  

        Ac  =  563.76  m2  

   

                 

The  wind  force  on  the  second  side  is:    

ϕ  !!!!

=  0.57  *  0.817  =  0.465   !"!!  

                   

Figuur  12    terrain  category  and  terrain  parameters    

Figuur  11:  solidity  ratio    

Page 30: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

30    

 

3.4.2. Wind  effect  on  the  pi l lars    

In  normal  circumstances  the  pillars  are  subjected  to  tensile  as  an  effect  of  the  self-­‐weight  of  the  bridge.  When  the  pillars  are  also  subjected  to  wind,  the  situation  of  complete  tensile  will  shift  to  a  situation  of  tensile  and  pressure.  For  the  stability  the  maximal  pressure  allowed  within  the  pillars  should  be  checked,  along  with  the  different  buckling-­‐controls.  In  order  to  do  this  a  separate  study  should  be  done.  An  option  for  this  would  be  to  do  a  simulation  on  the  model  in  a  wind  tunnel.  Another  option  could  be  a  separate  study  of  the  deck,  where  the  effect  of  the  wind,  only  on  the  deck  is  visualized.  Therefore  the  forces  on  the  deck,  due  to  the  wind,  can  be  placed  on  the  pillars.  Both  of  these  options,  are  left  aside  for  this  study.  

 

3.5. Thermal  actions      

The  deck  of  the  bridge,  corresponds  to  type  II:  composed  deck,    given  in  EN  199-­‐1-­‐5.  The  thermal  effects  in  the  bridge  decks  are  represented  by  4  different  terms  all  resulting  from  the  sun.  Figure  13  gives  an  overview  of  the  4  terms.    

 

 

 

 

 

 

With    (a)  component  of  the  uniform  temperature  (b)  and  (c)  components  of  the  temperature  linearly  variable  according  to  the  two  axes  in  the  plan  of  the  section  (d)  residual  component    

 

 

 

 

 

 

Figuur  13:  diagrammatic  representation  of  constituent  components  of  a  temperature  profile    

Page 31: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

31    

•  uniform  component    

The  extreme  values  of  the  uniform  temperature  components  are  taken  out  of  the  national  temperature  map,  figure  15.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For  the  minimum  and  maximum  temperature  Porto  is  situated  in  zone  B,  this  gives    Tmin  =  0°C  and  Tmax  =  40°C.  These  values  are  based  on  a  return  period  of  50  years,  derived  from  a  Gumbel  law.    

The  effective  minimum  and  maximum  temperature  is  taken  out  of  figure  16    and  is  in  function  of  the  shade  air  temperature  Tmin  ,    Tmax    and  the  type  of  deck.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  14:  Thermal  map  of  Portugal  for  Tmin    (left)  and  Tmax  (right)  

Figuur  15:  effective  mimimum  and  maximum  temperature    

Page 32: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

32    

Next  values  are  found:  Te,min  =  -­‐3  °C  

      Te,max  =  56  °C  

The  variation  of  temperature  is  considered  around  an  average  effective  value,  T0.  For  the  design  of  expansion  joints  and  bearings  the    following  formula  is  applied:    

Te,max  –  Te,min  +  2S  

Since  no  information  is  available  over  T0,  the  value  of  S  can  be  set  on  20°C.  This  gives  the  following  value  for  the  total  opening  for  expansions  joint,  or  total  movement  for  bearings:  

56  -­‐  (-­‐3)  +  2*20    =  96  

The  average  value  ΔT  of  the  temperature  difference  in  case  of  contraction  and  expansion,  ΔTN,con  and  ΔTN,exp  is  found  with  the  following  formula:      

!!!,!"#  + !!!,!"#  2

   

with     ΔTN,con  =  T0  −  Te,min    ΔTN,exp  =  Te,max    –  T0  

=  T!,!"#  –  T!,!"#

2  

=  56  – (−3)

2  

=  29.5  

The  thermal  expansion  coefficient  of  wrought  iron  is  10x10-­‐6  per  °C.    The  change  in  length    is  now  calculated.      

Δ! =  ! ∗ Δ! ∗ !  Δ! = 10 ∗ 10!! ∗ 29.5 ∗ 174  ! = 0.05  ! = 5  !"  

 The  change  in  length  is  acceptable,  and  for  this  reason  not  considered  in  the  SCIA  model.    Expansion  in  the  bridge  is  allowed  and  expansion  joints  are  present,  figure  16.                  

     

 Figuur  16:  possibility  too  expand  

Page 33: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

33    

 • Thermal  gradient    

The  uniform  linear  gradient  over  the  vertical  direction    is  given  in  table  5.  

 

                           

For  type  II  this  corresponds  with  △ !!,!!"#  =  15°C  for  when  the  top  is  warmer  than  the  bottom.  In  the  other  case  were  the  bottom  is  warmer  than  the  top    △ !!,!""#  =  18°C.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel  5:  uniform  linear  gradient  over  a  vertical  direction    

Page 34: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

34    

4. Combination  of  action    

The  fundamental  combination  of  actions  for  ultimate  limit  states,  is  applied  as  prescribed  in  the  Eurocode:    

  !!,!!!,! + !!,!!!,! + !!,!!!,!!!,!!!!!!!  

with      !!,!  =    partial  factor  for  permanent  action  j         !!,!  =  characteristic  value  of  the  leading  variable  action  1     !!,!  =    characteristic  value  of  the  other  variable    actions     !!,!  and    !!,!  =  partial  factors     !!,!    =  partial  factor  for  combinations    

For  permanent  actions  a  partial  factor  is  used  depending  on  the  effect;    favourable  or  unfavourable.  Also  for    the  characteristic  value  of  the  leading  variable  the  partial  factor  depends  on  the  effect  it  generates.  For  the  other  variable  actions  an  extra  combination  factor  is  used,  depending  on  the  type  of  load.    

For  bridges  different  partial  factors  are  used,  for  example  some  variable  actions  have  a  partial  factor  of  1.35.    

The  design  values  of  actions  are  given  in  table  6.    

Tabel  6:  desing  valeus  of  actions  (STR/GEO)  (Set  B)    

Page 35: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

35    

For  further  calculations  every  combination  should  be  taken  into  account,  every  load  should  be  checked  on  his  effect,  favourable  or  unfavourable.  When  more  variable  loads  take  place  at  the  same  time,  a  combination  factor  is  applied.  A  separate  set  of  combination  factors  for  bridges  is  found  in  the  Eurocode,  see  table  7.    

   For  the  models  in  SCIA,  the  partial  and  combination  factors  are  automatically  generated  with  the  combination  settings  set  on  eurocode-­‐ultimate  limit  state.                        

Tabel  7:  recommended  values  of  ψ  factor  for  road  bridges  

Page 36: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

36    

5. Control l ing  the  model  

5.1. Classif ication      

Local  buckling  within  profiles  is  even  possible  before  the  stress  reaches  the  level  of  yield  stress.  In  order  to  determine  how  much  the  resistance  and  the  rotationcapacity  of  the  profile  has  diminished,due  to  local  buckling,  a  classificationsystem  is  developed.  The  classification  is  based  on  2  aspects  the  whidth-­‐tickhness  proportion  and  the  development  of  the  stress  in  the  different  elements.    

Four  different  classes  are  defined  according  to  EN  1993-­‐1-­‐15:  

Class  1:  cross-­‐sections  are  those  which  can  form  a  plastic  hinge  with  the  rotation  capacity  required  from  plastic  analysis  without  reduction  of  the  resistance.    

Class  2  :cross-­‐sections  are  those  which  can  develop  their  plastic  moment  resistance,  but  have  limited  rotation  capacity  because  of  local  buckling.    

 Class  3:  cross-­‐sections  are  those  in  which  the  stress  in  the  extreme  compression  fibre  of  the  steel  member  assuming  an  elastic  distribution  of  stresses  can  reach  the  yield  strength,  but  local  buckling  is  liable  to  prevent  development  of  the  plastic  moment  resistance.    

Class  4  :  cross-­‐sections  are  those  in  which  local  buckling  will  occur  before  the  attainment  of  yield  stress  in  one  or  more  parts  of  the  cross-­‐section.      

A  classification  is  done  for  the  cross  bars  and  beams  in  the  deck,  since  these  are  the  elements  under  the  highest  compression.  Compression  created  the  most  unfavourable  effect,  so  the  profiles  are  only  checked  under  pure  compression.  The  small  bending  moment  that  takes  place  is  not  taken  into  account.    Figure  17  and  18  are  applied  for  the  classification.    

Cross  beams  IPE  300    

• Web  

Class  1:    

!!<  33ε     with  ! =   !"#

!"#.!  =  1.22                

!"#.!!.!

< 33 ∗ 1.22    

35.01 < 40.26              

The  web  confirms    class  1  

                                                                                                                         5  NBN  EN  1993-­‐1-­‐1,  october  2005,  p40  

Page 37: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

37    

• Flange  

Class  1:  

!!<  9 ∗ ε     with  ! =   !"#

!"#.!  =  1.22              

   

!".!"!".!

<  9 ∗ 1.22    

6.68 <  10.98      

The  flanges  conform  with  class  1.  

The  whole  profile  is  defined  as  a  class  1  profile.      

Cross  beams  IPE  500  0    

• Web    

Class  1:    

!!<  33ε     with  ! =   !"#

!"#.!  =  1.22                

!"#.!!".!

< 33 ∗ 1.22    

36.82 < 40.26              

The  web  confirms    class  1  

• Flange  

Class  1:  

!!<  9 ∗ ε     with  ! =   !"#

!"#.!  =  1.22              

   

!".!!".!

<  9 ∗ 1.22    

4.75 <  10.98      

The  flanges  conform  with  class  1.  

The  whole  profile  is  defined  as  a  class  1  profile.      

Both  profiles  belong  to  class  1,  calculations  can  be  made  plasticly  ,  without  reducing  the  resistance.    

Since  the  best  class  is  found  for  the  profiles  under  the  highest  compression,  a  further  manual  check  for  the  other  elements  is  not  done.    

Page 38: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

38    

 

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  17:  classification  of  the  web    

Figuur  18:  classification  of  the  flanges  

Page 39: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

39    

5.2. Buckling    

While  setting  the  buckling  settings  some  problems  were  found  in  SCIA.  Therefore  a  manual  buckling  control  is  done  based  on  EN  1993-­‐1-­‐1.    The  controlling  is  done  for    the  element  with  the  highest  chance  of  buckling.  Extra  buckling  control  is  not  done  on  the  pillars,  which  also  have  a  big  critical  length  for  buckling  out  of  plane,  since  they  are  mostly  under  tension  and  not  under  compression.      

The  controlled  beam  is  an  alleged  T-­‐shape,  on  the  side,  where  the  diagonals  come  to  getter,  shown  on  figure  19  and  20.    

 

 

The  shape  of  the  flanges  changes  over  distance.  Reinforcements  are  done,  which  corresponds  to  5  different  T-­‐beams  in  the  model.  The  height  increase  when  approaching  the  pillars  while  the  width  remains    the  same.  The  control  is  done  on  the  T  member  with  the  smallest  dimensions,  because  this  is  the  least  safe.  In  order  not  to  acquire  the  chance  of  buckling  the  following  criteria  should  be  respected:    

!!"!!,!"

 ≤ 1    

with     NEd  :  design  value  of  the  compression  force     Nb;Rd  :  design  buckling  resistance  of  the  compression  member    

!!,!" =  !"  !!!!!

  for  Class  1,2  and  3  cross  sections  

    with      !  :  reduction  factor  for  the  buckling  mode           A:  area  

  f!  :    yield  strength           !!!  :  particular  partial  factor      

Figuur  19:  bridge,  buckling  control      Figuur  20:  cross  section  T1  

Page 40: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

40    

   

The  value  of  the  reduction  factor  !  can  be  in  the  buckling  curves,  figure  21,    and  is  in  function  of  the  non-­‐dimensional  slenderness  ƛ.  

  ƛ =   !  !!!!"

      for  class  1,  2  and  3  

with   A  :  area     f!  :    yield  strength     N!":    the  elastic  critical  force  for  the  relevant  buckling  mode  

based  on  the  gross  cross  sectional  properties         A:  1.06  *104  mm2  

    fy  :    105  !

!!!  

    !!" =  !!!"!!"!

         

with       E  =  192,7*106  kN/m!  Iy  =  1,0694*10-­‐4  m4    for  buckling  in  plane  Iz  =  9.6028*10-­‐5  m4    for  buckling  out  of  plane  Lcr  =  3m  for  buckling  in  plane  Lcr  =  3m  for  buckling  out  of  plane  

 Buckling  in  plane:  

    !!" =  !!!"!!"!

 =   !!∗!"#.!∗!"!∗!,!"#$∗!"!!

!!  =  22598.5  kN    

              =    22598.5  *103  N    Buckling  out  plane:          

    !!" =  !!!"!!"!

 =   !!∗!"#.!∗!"!∗!.!"#$∗!"!!

!!  =  20292,6  kN    

              =  20292,6  *103  N        

For  buckling  in  plane  the  non-­‐dimensional  slenderness  is:      

ƛ =   !.!"∗!"!  ∗!"#!!"#$.!∗!"!

   =  0.22  

For  buckling  out  of  plane  the  non-­‐dimensional  slenderness  is:      

ƛ =   !.!"∗!"!  ∗!"#!"!#!,!  ∗!"!

   =0.23  

The  buckling  curve  that  must  be  applied  depend  on  the  shape  of  the  element.  Table  8  gives  an  overview.  

Page 41: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

41    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel  8:  selection  of  buckling  curve  for  a  cross-­‐section    

For  a  T-­‐  shape,  buckling  curve  c  is  applied.    

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  21:  buckling  curves  

 

Page 42: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

42    

For  buckling  in  plane  this  gives  !  =  1,  or  buckling  out  of  plane  !  =  0.98  .  

This  gives  the  following  results  for  design  buckling  resistance.  

  In  plane  :  

!!,!" =  1 ∗ 1.06 ∗ 10!   ∗ 105

1= 1113000  !    

                =1113  kN     Out  plane  :  

!!,!" =  0.98 ∗ 1.06 ∗ 10! ∗ 105

1= 1090740  !    

                =  1090.74  kN    

The  values  for  NEd  are  calculated  in  SCIA.  For  the  design  value  of  compression  force  in  plane,  a  combination  of  all  possible  load  cases  is  made.  For  the  one  out  of  plane  only  the  wind  is  considered,  because  this  is  the  only  force  that  will  make  buckling  out  of  plane  possible.  This  gives  the  following  results:    

  In  plane:   NEd  =-­‐1603,21    kN  

Nb,Rd  =  1113  kN  

    !!"!!,!"

= !"#$,!"!!!"

= 1.44   > 1    

The  compression  force  which  takes  place  in  the  beam  is  higher  than  the  buckling  resistance  compression  force.  If  we  check  the  member  we  see  that  it  is  a  reinforced  T-­‐beam,  see  figure  4.  A  new  calculation  for  this  cross  section  will  be  done.    

  Out  plane:   NEd  =-­‐1603,21    kN  

Nb,Rd  =  1090.74  kN  

    !!"!!,!"

= !"#.!"!"#".!"  

= 1.47 >  1    

This  doesn’t  correspond  with  the  buckling  criteria.    A  check  of    the  beam  is  done  within  the  construction,  the  beam  corresponds  with  a  reinforced  T-­‐  beam,  see  figure  22.  

 

 

 

 

 

Figuur  22:  cross  section,  T2  

Page 43: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

43    

For  the  non-­‐dimensional  slenderness  ƛ,  the  following  value  is  found:    

  ƛ =   !  !!!!"

     

      A:  1.38  *104  mm2  

      fy  :    105  !

!!!  

      !!" =  !!!"!!"!

     

 with       E  =  192,7*106  kN/m!  

Iy  =  1.1915*10-­‐4  m4    for  buckling  in  plane  Iz  =  1.387*10-­‐4  m4    for  buckling  out  of  plane  Lcr  =  3m  for  buckling  out  of  plane  

 In  plane:  

    !!" =  !!!"!!"!

 =   !!∗!"#.!∗!"!∗!.!"!#  ∗!"!!

!!  =  25178.7  kN    

              =    25178.7  *103  N    Out  plane:  

    !!" =  !!!"!!"!

 =   !!∗!"#.!∗!"!∗!,!"#∗!"!!

!!  =     29304kN    

              =    29304  *103  N    This  gives  the  following  non-­‐dimensional  slenderness  :    

 in  plane:    

    ƛ =   !.!"∗!"!  ∗!"#!"#$%.!  ∗!"!

   =  0.24  

 out  plane:  

    ƛ =   !.!"∗!"!  ∗!"#!"#$%∗!"!

   =  0.22  

 

 

 

 

 

 

 

Page 44: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

44    

In  figure  21  we  find  that  this  corresponds  with  !  =0.98  for  buckling  in  plane  and  !  =  1  for  buckling  out  plane.    

This  following  design  buckling  resistance  are  found:    

in  plane:    

!!,!" =  0.98 ∗ 1.38 ∗ 10!   ∗ 105

1= 1420020  !    

               =  1420.02  kN    

out  plane:  

!!,!" =  1 ∗ 1.38 ∗ 10!   ∗ 105

1= 1449000  !    

=  1449  kN                    The  buckling  check  gives  the  following  result:    

in  plane  

      NEd  =-­‐1603.21    kN  

Nb,Rd  =1420.02  kN  

    !!"!!,!"

= !"#$.!"!"#$.!"

= 1.13   > 1    

The  axial  force  in  the  beam  is  higher  than  the  maximum  allowed  axial  forces,  so  buckling  in  plane  is  possible.  The  too  high  forces  in  the  construction  will  cause  deformation  of  the  construction,  and  generate  second-­‐  order-­‐  effects  .  These  are  effects  due  to  the  fact  that  the  axis  can  be  out  of  its  original  position.  Since  the  construction  is  considered  non-­‐sway  the  second-­‐order-­‐effects  should  not  be  taken  into  account.    

out  plane  

      NEd  =  135.56  kN  

Nb,Rd  =  1449  kN  

    !!"!!,!"

= !"#.!"!""!

= 0.094   ≤ 1    

The  profile  will  not  buckle.      

 

 

 

Page 45: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

45    

5.3.  Lateral  torsional  buckl ing    

A  lot  of  beams  are  only  subjected  to  axial  forces,  for  those  beams  no  lateral  torsional  buckling  controle  is  needed.  The  beams  under  bending  moment  should  be  taken  into  account  for  lateral  torsional  buckling  check.  No  seperate  manual  control  is  done.      

 

5.4.  Relative  deformation      

The  deck  is  submitted  to  a  maximum  relative  deformation  of  356.5mm  in  the  middle  of  the  bridge.  This  effect  is  in  reality  reduced  because  of  the  slightly  curved  shape  of  the  deck.  No  information  is  available  over  the  exact  bend  degree,  so  the  effect  is  not  taking  into  account  for  the  calculations.  The  slightly  curved  shape  will  generate  a  higher  axial  force  in  the  deck  because  a  part  of    the  transversal  forces  taking  place  on  the  deck  are  converted  to  axial  forces.  The  bending  moment  will  be  reduced  by  the  arch  shape  of  the  bridge.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 46: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

46    

5.5.  Model  0    

The  controlling  of  the  model  is  done  with  the  structure  subjected  only  to  the  dead  loads.  These  values  are  taken  out  of  the  study  'Estudo  da  viabilidade  de  utilização  da  Pont  Luiz  I  pelo  Metro  ligeiro  do  Porto”,  chapter  2.1.1.  These  study  gives  the  values  for  the  dead  loads  of  the  deck  itself  but  not  for  the  tie-­‐trusses.  A  different  model  with  only  the  suspension  tie-­‐trusses  in  it  is  made  in  SCIA,  the  self-­‐weight  is  automatically    generated  by  SCIA.    

For  the  dead  load  of  the  structure6  17kN/m  is  found,    divided  over  a  structural  wide  of  8.4m,  gives  2.02  kN/m².  The  deck  itself  has  a  dead  load  of  3,13  kN/m²,  so  the  total  permanent  dead  load  is  :  

2,02  +  3,13  =  5,15kN/m²    This  simplified  model  with  only  dead  and  live  loads  on  it  gives  the  following  reaction  forces;    

First  outer  tie-­‐trusses:      

left  node  :  821.63  kN       right  node  :  819.32  kN        

   average  per  node  :  820.48  kN  

Second  outer  tie-­‐trusses:      

left  node:  823.41  kN       right  node:  818.36  kN      

   average  per  node  :  820.88  kN  

 

First  middle  tie-­‐trusses:        

left  node  :  759.77    kN       right  node  :  759.69  kN        

   average  per  node  :  759.73  kN  

 

Second  middle  tie-­‐trusses:        

left  node  :734.28  kN       right  node  :  783.50  kN        

   average  per  node  :  758.89  kN  

 

                                                                                                                           6  A.  G.  Coelho,  J.  A.  M.  Freitas,  M.de  Azeredo,  A.  Costa,  J  .S.  Cruz,  N.  E.  Santos,  D.  B.  Lopes,  “Estudo  da  viabilidade  de  utilização  da  Pont  Luiz  I  pelo  Metro  ligeiro  do  Porto”,  Revista  Portuguesa  de  Engenharia  de  Estruturas  (RPEE)  N.°  43,  Porto,  Portugal,  1997,  p  2.1.1  

Page 47: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

47    

Table  9    gives  an  overview  of  the  different  values.    

Different  results  are  found  between  the  two  outer  tie-­‐trusses  and  between  the  two  middle  tie-­‐trusses  .  Normally  these  should  be  equal,  since  the  bridge  is  symmetrical  and  the  dead  loads  

too.  The  difference  is  small,  only  1  -­‐     !"#.!"  !"#.!!      

 =  0.05  %    for  the  outer  tie-­‐trusses  and  1  -­‐     !"#.!"  !"#.!"      

 =  

3.03    %  for  the  middle  tie-­‐trusses.  These  values  are  acceptable.      

 

 

Tabel  9:  Reaction  forces  of  the  deck  subjected  to  dead  loads  

Page 48: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

48    

The  following  results  of  reaction  forces  due  to  the  self-­‐weight  of  the  tie-­‐trusses  were  obtained.    

Two  outer  tie-­‐trusses:       50.98  kN  per  node  

Two  middle  tie-­‐trusses:       83.43  kN  per  node  

Table  10  gives  an  overview  of  the  different  values.      

                                 

 

These  reaction  forces  are  put  as  forces  on  the  supports  of  the  tie-­‐trusses  of    the  global  model,  like  this  the  self-­‐weight  of  the  tie-­‐trusses  is  taken  into  account  in  the  following  calculations.    

A  general  check  of  the  model,  only  subjected  to  its  self-­‐weight,  is  done  by  controling  the  maximum  tension  in  all  the  beams.  Here  for  the  Von  Mises  criteria  is  applied.  The  criteria  states  that  the  Von-­‐Mises-­‐stress  must  be  lower  than  the  yield  stress,  with  f!"    105  N/mm²  for  wrought  iron.  Members  with  a  Von  Mises  stress  higher  than  105  N/mm²    are  found  in  and  around  the  tie-­‐trusses,  see  fig  23.  

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  23:  Von  Mises  stress,  self  weight  

Tabel  10:  dead  load  of  the  suspension  trusses  

Page 49: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

49    

Around  the  pillars  the  dimension  of  the  diagonals  changes,  they  becomes  bigger  when  approaching  them.  Although  there  are  bigger  dimensions,  it  is  not  enough  for  all  of  these  elements.  Local  reinforcements  are  done  but  not  taken  into  account  in  this  model  ,  since  there  was  no  clear  pattern.  Having  to  control  every  single  beam  to  determine  whether    it  is  reinforced  or  not,  would  take  up  too  much  time  and  would  make  the  model  very  complex.  

Also  in  the  wind  bracing,  the  maximum  allowed  tension  is  also  sometimes  exceeded  .  There  was  a  lack  of  information  regarding  the  pillars,  they  weren’t  described  in  the  original  plan.  The  profile  of  wind  bracing  might  be  slightly  different.  Also  local  reinforcement  is  not  taken  into  account  in  the  model,  because  there  was  no  information  on  this  topic  available.    A  detailed  

analysis  should  be  made  on  this  reinforcement  since  it  affects  the  way  of  force  distribution,  which  also  has  an  effect  on  the  stress.  Figure  24  shows  the  difference  between  the  bridge  itself  and  the  model.    

 

 

 

 

 

 

6. Calculations    

6.1. General  s implif ications      For  the  models  the  following  simplifications  are  made:      

1) Snow  is  not  generated  in  the  models,  this  simplification  is  made  in  consultation  with  Prof.  Santos.  This  decision  is  based  on  the  following  facts;    the  chance  of  having  a  big  snow  load  in  the  South  is  very  low  and  the  Eurocode  provides  a  rule  which  says  that  snow  loads  should  not  be  combined  with  any  group  of  traffic  loads.      

Figuur  24:  differences  between  the  bridge  and  the  2D/3D  model    

Page 50: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

50    

2)  3) Rainwater  is  not  calculated  in  as  a  load.  The  structure  of  the  bridge  is  open  enough  to  

let  the  water  flow  away,  there  isn’t  any  chance  that  the  water  will  collect  on  top  of  the  deck.    

 4) Seismic  actions  are  not  taken  into  account  for  the  reason  that  its  effects  and  

corresponding    calculation  methods  are  not  taught  to  Belgian  engineering  students.  The  author  strongly  recommends    for  further  study  addressing  this  matter.    

6.2. Calculation  Load  model  1  The  different  loads  placed  on  the  first  model  in  SCIA,  are  given  in  table  11  

For  a  description  of  the  loads  and  how  the  values  were  obtained  see  chapter  3.  An  overview  from  the  settings  in  SCIA  ;  load  cases  and  load  groups  can  be  find  in  annex  2.    

Load  case   Description    

Dead  load     Dead  load    

Wind   Wind  from  the  west    

Thermal  up-­‐  down     Terminal  linear  heating  of  the  deck,  with  the  top    warmer  than  the  bottom        

Thermal  down  -­‐  up   Terminal  linear  heating  of  the  deck,  with  the  bottom  warmer  than        the  top  

Traffic  UDL   Uniformly  distributed  load  for  traffic      

Horizontal   Horizontal  forces  

TS0   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  0m,  first  lane  

TS16   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  16.5m,  first  lane  

TS33   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  33m,  first  lane  

TS51   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  51m,  first  lane  

TS69   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  69m,  first  lane  

TS87   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  87m,  first  lane  

TS105   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  105m,  first  lane  

TS123   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  123m,  first  lane  

TS141   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  141m,  first  lane  

TS157   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  157.5m,  first  lane  

Page 51: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

51    

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TS174   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  174m,  first  lane  

TS0  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  0m,second  lane  

TS16  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  16.5m,  second  lane  

TS33  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  33m,  second  lane  

TS51  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  51m,  second  lane  

TS69  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  69m,  second  lane  

TS87  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  87m,  second  lane  

TS105  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  105m,  second  lane  

TS123  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  123m,  second  lane  

TS141  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  141m,  second  lane  

TS157  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  157.5m,  second  lane  

TS174  A   Tandem  system  including  two  axles,  on  position  174m,  second  lane  

 

Tabel  11:  description  of  the  different  loadcases,  LM1  

Page 52: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

52    

6.2.1. Posit ion  of  the  tandem  system    

The  different  positions  for  the  tandem  system,  as  shown  in  table  12,  they  are  chosen  in  a  way  that  they  will  generate  the  most  unfavorable  effect.  The  bridge  therefore  is  divided  into  5  parts,  two  parts  of  33m  from  the  beginning  and  ending  at  the  outer  tie-­‐trusses,  and  3  parts  of  36  m  from  tie-­‐trusses  to  tie-­‐trusses.    The  tandem  systems  are  placed  in  the  beginning,  middle  and  end  of  every  part.    For  the  beginning  and  the  end  a  maximal  transversal  force  is  expected  in  the  supports  and  in  the  tie-­‐trusses.  For  the  middle  a  maximal  bending  moment  is  expected.      The  maximum  internal  forces  on  beams,  are  displayed  in  figure  25.  Figure  26  shows  the  most  important  combinations,  out  of  more  than  1000  combinations.    

Figuur  25:  maximum  internal  forces  on  beams,  LM1  

Page 53: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

53    

 Figuur  26:  combination  key    

 The  two  maximal  axial  forces  are  found  in  beam  s14367  and  s16149.  The  maximal  values  for  the  bending  moments  around  the  y-­‐axes  are  found  in  beam  s10783  and  s15017.    These  four  beams  are  explored  into  further  detail.    This  corresponds  with  the  most  unfavourable  effect  for  the  tandem  system  on  positioned  on  16.5m  and  157.5m.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 54: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

54    

Beam  s14367    

Beam    s14367  is  located  on  the  outer  side  of  the  deck,  right  under  the  outer  tie-­‐truss  as  shown  in  figure  27.    

The  axial  force  reaches  a  maximum  value  of  -­‐7229,07  kN    for  combination  3:  

1.35*dead  loads  +  1.5*wind  +  1.35*traffic  UDL  +  1.35*TS157  +  1.35*TS157  A  

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  28.  The  highest  value  found  in  the  beam  is  522.2   !!!!,  

and  mostly  comes  from  the  axial  stress,  this  is  logical  since  it  is  kind  of  a  truss  structure.  This  

value  is  greater  than  the  critical  value  of  105     !!!!.  Reinforcement  is  needed.    

 

     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Figuur  27:  representation  of  beam  s14367  

Figuur  28:  Stress  in  beam  s14367,  model1  

Page 55: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

55    

Beam  s16149  

Beam    s16149  is  located  on  the  outer  side  of  the  deck,  in  the  middle  of  the  last  slab  as  shown  in  figure  29.    

The  axial  force  is  6155.04  kN  for  combination  4:    

1.35*dead  loads  +  1.5*wind  +  1.35*traffic  UDL  +  1.35*TS16  +  1.35*TS16  A  

 

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  30,  with  a  maximum  value  of  369,6   !!!!  coming  solely    

from  axial  tension.  This  value  is  greater  than  the  acceptable  stress  of  105   !!!!.  

   

   

 

 

 

 

 

 

   

Figuur  30:  representation  of  beam  s16149  

Figuur  29:  Stress  in  beam  s16149  

Page 56: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

56    

Beam  s10783  

Beam    s10783  is  located  in  the  first  span,  on  the  outer  side  of  the  deck  ,  as  shown  in  figure  31.    

 

The  moment  is  -­‐3329.07  kNm  for  combination  7  :  

1.35*dead  loads  +  0.9*thermal  down-­‐up    +  1.35  *traffic  UDL+  1.35*TS16  +1.35*TS16  A  

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  32,  with  a  maximum  value  of  369,6   !!!!  coming  solely  

from  the  axial  tension.  This  value  is  greater  than  the  acceptable  stress  of  105   !!!!.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  31:  representation  of  beam  s  10783  

 

Figuur  32:  Stres  in  beam  s10783  

Page 57: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

57    

Beam  s15017  

Beam  s15017  is  located  at  the  on  the  outer  side  of  the  deck,  right  under  the  outer  tie-­‐truss  as  shown  in  figure  33.    

The  bending  moment  is  4777,  45    kNm  for  combination9:        

1.35*dead  loads  +  0.9  thermal  up-­‐down  +  1.35*traffic  UDL  +  1.35*TS16  +  1.35*TS16  A  

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  34,  with  a  maximum  value  of  539,0   !!!!  coming  solely  

from  the  axial  tension.  This  value  is  greater  than  the  acceptable  stress  of  105   !!!!.  

 

 

 

 

 

 

 

 

Since  all  these  beams  have  a  stress  greater  than  the  design  yield  stress,  reinforcement  for  these  beams  is  definitely  recommended.  A  lot  of  local  reinforcements  have  been  done,  so  there  is  the  probability  that  the  beams  are  already  reinforced.  The  dimensions  of  the  reinforcement  necessary  to  obtain  a  safe  situation,  are  highly  related  to  used  steal  quality.    

Figuur  33:  representation  of  beam  s15017  

Figuur  34:  stress  in  beam  s15017  

Page 58: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

58    

6.2.2. Percentage  dead   load    

Comparing  the  reaction  forces  due  to  the  dead  load  and  the  reaction  forces  obtained  out  of  the  combination,  gives  an  idea  about  the  importance  of  the  dead  loads  in  the  total  structure.  The  reaction  forces  for  the  combinations,  can  be  found  in  figure  20.    Reaction  forces  for  the  dead  load  are  given  in  figure  35.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  35:  Reactionforces    

Page 59: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

59    

If  we  compare  the  reaction  forces  in  the  z  direction,  a  total  reaction  force  of  30374.69  kN    is  found  as  maximum  value  for  the  combination.  The  bridge  only  subjected  to  dead  loads  gives  a  reaction  force  of  7453.2  kN.  The  dead  load  represent  the  following  percentage:    

  !"#$.!!"!#$.!"

∗ 100 = 24.54  %  

Only  24.54  %  of  the  reaction  force  is  due  to  the  self-­‐weight  of  the  structure.  This  value  is    very  low  for  such  a  large  bridge.  The  light  structure  is  a  truly  good  design  of  structure,  where  the  material  is  used  at  its  best.  Since  the  percentage  of  dead  loads  is  low  other  loads  will  have  a  bigger  influence  on  the  structure.    

 

6.2.3. General      

A  general  Von  Misses  check  is  done  on  the  construction.  Figure  36  illustrates  the  values  higher  or  equal  to  the  design  yield  stress  fyd=105  kN/mm²  in  blue.  For  the  tie-­‐trusses  no  fixed  conclusion    can  be  made,  since  the  dimensions  of  the  profiles  were  assumed  due  to  a  lack  of  information  about  them.    A  large  amount  of  elements  does  not  confirm  the  design  yield  stress.  The  loads  where  the  bridge  originally  was  designed  for  are  lower  than  these  to  which  it  is  submitted  today.  The  loads  nowadays  are  multiplied  with  a  partial  factor  so  their  influence  increases  .  Reinforcement  is  recommended,  in  order  to  find  out  which  element  should  be  reinforced,  a  local  study  should  be  done.    

Figuur  36:    Von  Mises  stress  in  LM1  

Page 60: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

60    

6.3. Calculation  Load  model  4  

The  effect  of  the  crowd  is  generated  on  the  bridge  as  a  uniform  divided  load  of  5    !"!!  

An  overview  of  the  different  loads  placed  on  the  model  is  given  in  table  12.    The  different  load  cases  with  their  corresponding  load  groups  can  be  find  in  the  annex  3.    

Load  case   Description    

Dead  load     Dead  load    

Wind   Wind  from  the  west    

Thermal  up-­‐  down     Terminal  linear  heating  of  the  deck,  with  the  top    warmer  than  the  bottom        

Thermal  down  -­‐  up   Terminal  linear  heating  of  the  deck,  with  the  bottom  warmer  than    the  top  

Crowd   Load  from  a  crowd        

Tabel  12:  description  of  the  different  load  cases,  LM4  

The  maximum  internal  forces  on  beams,  are  shown  in  figure  37,  figure  38  shows  combination  key.    

Figuur  37:  maximal  internal  froces,  LM4  

 

 

 

 

 

 

Page 61: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

61    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  38:  Combinationkey,  LM4  

For  the  two  maximal  axial  forces  and  the  two  maximal  bending  moments  around  the  y-­‐axes  an  individual  stress  control  is  done.  The  two  maximal  axial  forces  are  found  in  beam  s15017  and  s10783.  The  maximal  values  for  the  bending  moments  around  the  y-­‐axes  are  found  in  beam  s15017  and  s10783.    A  closer  look  is  taken  to  these  2  beams.      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 62: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

62    

Beam  s15017  

Beam  s15017  is  located  at  the  on  the  outer  side  of  the  deck,  right  under  the  outer  tie-­‐truss  as  shown  in  figure  39.    

The    axial  force  of  -­‐4521.53  kN    for  beam  s15017  is  found  in  combination  2:      

  1.35*dead  loads  +1.35*crowd    

The    bending  moment  of  2973.32  kNm  is  found  in  beam  s15017  for  combination  7:      

  1.35*dead  loads  +1.5*wind  

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  40,  with  a  maximum  value  of  380,6   !!!!  coming  

completely  from  the  axial  tension.  This  value  is  higher  than  the  acceptable  stress  of  105   !!!!.  

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  39:  representation  of  beam  s15017  

Figuur  40:  representation  of  beam  s15017  

Page 63: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

63    

Beam  s10783    

The  second  highest  axial  force  is  located  in  beam  s10783  and  is  located  on  the  outer  side  of  

the  deck,  right  under  the  outer  tie-­‐truss  as  shown  in  figure  26.    

The  axial  force  reaches  a  maximum  value  of  3169.23  kN    for  combination  1:  

1.35*dead  loads  +  0.9*thermal  down-­‐up  +  1.35*crowd  

The  bending  moment  reaches  a  value    of  -­‐1542.28  kNm    for  combination  2:  

  1.35*dead  loads  +1.35*crowd    

The  Von  Mises  stress  is  given  in  figure  42.  The  highest  value  found  in  the  beam  is  198.3   !!!!,  

and  comes  completely  from  the  axial  stress.  This  value  is    bigger  than  the  allowed  value  of  105    !

!!!.  Reinforcement  is  needed.    

 

 

 

 

 

 

 

Figuur  41:  representation  of  beam  s10783  

Figuur  42:  stress  in  beam  s10783,  LM4  

Page 64: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

64    

 

Since  all  these  beams  have  a  stress  higher  than  the  yield  stress,  reinforcement  of  this  beam  is  definitely  recommended.  A  lot  of  local  reinforcements  have  already  been  done,  so  there  is  the  probably  that  the  beam  has  also  been  already  reinforced.  The  steel  quality  used  for  the  reinforcement  has  a  big  impact  on  the  dimensions  necessary  to  obtain  a  save  situation.    

 

6.3.1. Percentage  dead   load  

 The  total  reaction  force  in  the  z  direction,  found  due  to  the  self-­‐weight  of  the  structure  is  7453.2  kN.  The  total  reaction  forces  of  load  model4  in  the  z  direction  is  18416.7  kN  and  is  given  in  table  13.  The  dead  load  represent  the  following  percentage:    

  !"#$.!!"#!$.!

∗ 100 = 40.46  %    

Only  40,46%  of  the  reaction  forces  in  the  z-­‐direction  are  due  to  the  dead  loads,  the  position  and  value  of  the  other  loads  putted  on  the  model  still  has  a  big  influence.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 65: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

65    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tabel  13:  Reaction  forces  LM4  

Page 66: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

66    

6.3.2. General      

A  general  Von  Mises  check  is  done.  Figure  44    gives  an  illustration  of  this,  the  tensions  higher  or  equal  to  design  yield  value  fyd=105  kN/mm²  are  marked  in  blue.  We  see  a  concentration  of  high  values  in  and  around  the  tie-­‐trusses.  About  the  tie-­‐trusses  no  information  was  available,  so  the  choice  for  the  profiles  is  based  on  pictures.  Since  the  profiles  are  determinative  for  the  stress  development,  more  information  about  them  is  necessary  in  order  to  have  a  correct  view  of  the  stress  in  the  tie-­‐trusses  themselves.  A  lot  of  the  elements  that  transcend  the  design  value  are  still  below  the  characteristic  value  of  the  yield  stress.  For  this  calculation  a  very  high  material  reduction  factor  of    γs  =  1,5    is  taken  into  account  to  cover  the  possible  heterogeneity  that  might  be  in  the  old  wrought  iron.  The  loads  on  the  bridge  are  also  subjected  to  high  partial  factors  imposed  by  the  Eurocode.  All  these  factors  together  lead  to  a  big  amount  of  bars  that  exceed  the  design  yield  factor.  In  reality  this  does  not  mean  that  all  these  elements  will  yield  ,  although  reinforcement  is  recommended.      

 

 

   

Figuur  43:  von  mises  stress,  LM4  

Page 67: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

67    

7. Conclusion    

The  structure  of  the  bridge  itself  is  designed  in  a  way  that  the  material  is  used  at  its  best.  The  self-­‐weight  is  very  low  compared  with  the  size  of  the  bridge.  This  makes  the  design  of  the  structure  a  engineering  masterpiece.      

For  the  resistance  checks  several  problems  are  obtained.    First  of  all  the  buckling  conditions  are  not  fulfilled.  The  axial  forces  are  too  high  on  certain  places  and  buckling  can  occur  according  to  the  calculation  rules  of  the  Eurocode.  Originally  the  structure  was  not  designed  for  such  a  high  axial  forces  and  less  margin  was  taken  on  the  calculations.  The  model  used  for  the  calculations  is  very  accurate  and  the  loads  are  higher.  Different  explanations  can  be  given  to  this  higher  load.  Firstly  the  traffic  volumes  and  density  increased  greatly  over  the  past  century,  which  automatically  goes  together  with  a  change  of  loads.  Secondly  the  Eurocode  is  very  strict  and  provides  high  partial  factors  on  the  loads.        The  Von  Mises-­‐criterium  is  not  fulfilled  either.  Already  problems  occur  when  the  bridge  is  submitted  only  to  its  self-­‐weight.  The  design  yield  stress  is  exceeded  in  several  elements  in-­‐  and  around  the  tie-­‐trusses.  The  highest  tensions  take  place  in  the  tie-­‐trusses  since  they  are  responsible  for  the  force  transmission  between  the  supports  and  the  deck.  The  cross-­‐sections  of  the  tie-­‐trusses  was  not  known  and  the  choice  of  these  profiles  is  based  on  pictures.  An  under  sizing  of  the  profiles  can  be  a  cause  of  the  too  high  stress  values.      For  model  1  more  than  half  of  the  bars  exceeds  the  design  yield  stress,  for  model  2  this  is  less  than  half.  Frequently  the  stress  in  the  bars  is  still  under  the  characteristic  yield  factor.  A  very  high  reduction  factor  of  material  is  applied  on  the  construction.  The  reduction  factor  reduces  the  design  yield  factor  to  2/3  of  the  characteristic  yield  factor,  in  order  to  take  into  account  the  less  homogeneous  of  wrought  iron,  compared  to  modern  steel.  This  very  strict  reduction  factor  is  another  cause  of  the  high  amount  of  bars,  exceeding  the  design  yield  stress.    On  the  other  hand  the  loads  are  again  multiplied  with  the  partial  factor,  as  provided  by  the  Eurocode,  which  will  also  increase  the  stress  in  the  structure.    Another  cause  is  that  a  lot  of  local  reinforcements  were  done,  but  not  taking  into  account  in  the  model.  These  local  reinforcements  have  an  influence  on  the  load  transmission  and  stress  development  in  the  beams.      In  general  the  structure  is  not  in    conformity  with    the  current  standard  of  the  Eurocode.  This  does  not  automatically  means  that  the  structure  is  unstable,  since  the  requirements  of  the  Eurocode  are  very  high.  There  are  some  local  problems  and  reinforcement  is  sincerely  recommended.  A  more  detailed  study  on  these  local  elements  is  also  recommended.      

   

Page 68: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

68    

Bibl iography  

Eurocode  0:     Grondslagen  van  het  constructief  ontwerp  -­‐  Bijlage  A2  :Toepassing  voor  bruggen  (+  AC:2010)  (juli  2013)  

   Eurocode  1:     EN  1991-­‐1  Belastingen  op  constructies  (januari  2004)         EN  1991-­‐5  Belastingen  op  constructies  -­‐  Deel  2  :  Verkeersbelasting  op  bruggen       Nationale  bijlage  (oktober  2010)      Eurocode  3:     EN  1993-­‐1  Ontwerp  en  berekening  van  staalconstructies  -­‐  Deel  1-­‐1:  Algemene  

regels  voor  gebouwen  (+  AC:2009)      Eurocode  4:   EN  1994-­‐2:2005  Ontwerp  en  berekening  van  staal-­‐betonconstructies  -­‐  Deel  2:  

      Bruggen  (+  AC:2008)  (april  2011)    Jean-­‐Armand  Calgaro,  Marcel  Tschumi  and  Haig  Gulvanessian,  Designers’  guid  to  Eurocode  1:  Actions  on  bridges,  E,1991-­‐2,  EN,1991-­‐1-­‐1,-­‐1-­‐3  to  -­‐1-­‐7  and  EN  1990  Annex  A2,  Thomas  Telford,2010  

Gerard  Parker,  Nigel  Hewson,  ICE  manual  of  bridge  engineering,  Thomas  Telford,2008  

Jan  Daniëls,  Sara  Pieters,  Modeling  and  structural  analysis  of  Ponte  D.  Luis  I,  2013  

Luc  Vanhooymissen,  Marc  Spegelaere,  Ann  Van  Gysel,  Willy  De  Vylder,  Gewapend  beton,  Berekening  volgens  NBN  15-­‐002  (  1999),Academia  Press,  2002    

Stef  Pillaert,  Staalbouw  deel  I  en  II,  leidraad  bij  EC2,  2009  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 69: Nacalculatie van een StaalBeton Brug

69    

Annexes