In dieser Arbeit wurde eine 110 m weit spannende Netzwerkbogenbrücke für eingleisigen Eisenbahnverkehr unter Lastmodell (LM) 71, auf Basis der Forschungsergebnisse Teichs entworfen und nach den Vorgaben der DIN EN 1990, 1991 und 1993 bemessen. Im Rahmen des Entwurfs wurde eine Variantenuntersuchung durchgeführt. Ferner wurde ein Montagekonzept erstellt.

The Texas Department of Transportation (TxDOT) has completed the design of a signature bridge in Fort Worth, TX. The proposed structure is comprised of precast, post-tensioned concrete network arches. The arches will be cast on their sides and then rotated into the vertical orientation. Concerns exist about the durability and stability of the arches during stressing, handling, and transportation. The rotation process in particular represents a critical period in the life of the arches. A monitoring system was proposed to track stresses in the arches throughout the construction operations. The primary goals of the project are to install vibrating wire gages (VWGs) in the arches prior to casting to monitor the performance of the arches until the bridge is completed. The instrumentation will be used to provide real-time feedback to TxDOT and the contractor during stressing, handling, and bridge construction. This thesis focuses on the results of a preliminary laboratory study conducted in support of the instrumentation initiative. The purpose of the study was two-fold: to establish the capabilities and limitations of the VWGs and to study the buckling behavior of slender concrete elements with unbonded post-tensioning. More than sixty axial load tests were performed on two slender concrete specimens instrumented with VWGs. Observations are made on the accuracy and reliability of the VWGs. In general, the VWGs were found to be both accurate and reliable in measuring structural parameters and reporting trends in behavior, even at low loads. Some apparent errors were identified, but these were attributed to testing inconsistencies and scale factors rather than to gage error. Observations were also made on the buckling behavior of the elements under a variety of axial loading configurations. The effects of the engagement of the tensioned strand with the duct had a significant impact on the behavior. Strand engagement was shown to increase the buckling capacity of the members through stiffening action, but did not necessarily eliminate the risk of instability. Both the gage resolution study and the stability tests are expected to significantly enhance the ability of the research team to support the arch construction operations. / text

A constant research of more ecological and efficient structures has enabled bridges to be more innovative through the years. Nowadays, as the need is greater than ever, a new kind of bridge is expanding in the entire world: the network arch bridges. The concept was developed by professor and engineer Per Tveit in 1955 and has been improved since then. But it is only for 10 years that many bridges of this sort have been built. The aim of the thesis is to investigate the structural behavior of these bridges and their efficiency comparing to traditional bridges. It is also proving the efficiency of the network arches used for rail traffic. To do so, a single-track railway network arch has been designed according to the Eurocodes. A 2D model has been designed to be optimal and tested under Abaqus for the loads defined in the Eurocodes. Guidelines from the literature and Per Tveit’s work have been used to determine the optimal geometry of the bridge. The steel weight needed for the 75 meters long bridge is assessed from the final design and is the main parameter to compare and evaluate the network arch structural efficiency. These results are compared with Tveit’s statements and with other structures.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer optimalen Tragstruktur für Netzwerkbogenbrücken. Dabei wird die systematische Nutzung der Optimierungspotenziale dieses Brückentragwerkes an ausgewählten Tragwerkselementen erarbeitet. Es werden Lösungsvorschläge für die System- und Detailausbildung sowie Berechnungs- und Entwurfsgrundlagen entwickelt. Die Schwerpunkte der Arbeit bilden die Entwicklung von ermüdungssicheren Hängeranschlusskonstruktionen, statisch effizienten Hängernetzen sowie Bögen, die sich durch eine hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Materialverbrauch auszeichnen. Um eine ausreichende Ermüdungssicherheit der in dieser Hinsicht maßgebenden Hängeranschlusskonstruktionen zu gewährleisten, ist es notwendig, die risserzeugenden Spannungsspitzen zu minimieren und möglichst einen homogenen Spannungsverlauf über das gesamte Bauteil zu erzeugen. Mit Hilfe einer parametergestützten Gestaltoptimierung und anschließender Topologieanpassung wird zunächst eine optimale Lösung für die Hängeranschlusskonstruktion entworfen. Anschließend erfolgt die Entwicklung einer Bestimmungsgleichung für die Kerbwirkungszahl dieser Anschlusskonstruktion, welche die Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für Hängeranschlüsse ermöglicht. Zur effizienten Nutzung der statischen Vorteile von Netzwerkbogenbrücken ist die Anordnung der Hänger von großer Bedeutung. Um die vorteilhafteste Hängeranordnung zu ermitteln, werden fünf mögliche Hängernetze mit variierenden Hängerneigungsparametern, Hängeranzahlen und Stützweiten hinsichtlich gezielt ausgewählter statischer Kriterien untersucht und bewertet. Daraus resultierend werden Empfehlungen formuliert, die dem Ingenieur die Wahl eines für entsprechende Rahmenbedingungen geeigneten Hängernetzes erleichtern. Auch die konstruktive Ausführung des Bogens sowie des oberen Windverbandes und das damit verbundene Tragverhalten sind beim Entwurf einer effizienten Netzwerkbogenbrücke von großer Bedeutung. Deswegen wird der Einfluss von Form, Geometrie und Steifigkeit des Bogens sowie von Ausführung und Konstruktion anderer Tragwerksteile auf die Bogenstabilität analysiert. Darauf aufbauend erfolgt die Optimierung dieser Konstruktionsparameter, um die Stahlmasse des Bogens ohne maßgebliche Reduzierung der Tragfähigkeit zu minimieren. Zusätzlich werden verschiedene Ersatzimperfektionen bezüglich ihrer Auswirkung auf die rechnerische Bogenstabilität untersucht und die maßgebenden Vorverformungen hinsichtlich ihrer Form und ihrer Größe herausgestellt. In ausgewählten Beispielen werden abschließend die entwickelten Lösungen mit Bauwerken aus der Praxis verglichen, um die Effizienz des optimierten Tragwerkes zu demonstrieren. / This work of research will tackle the development of an optimal structure for network arch bridges. The systematic employment of potentials to optimize these bridge structures will be examined for selected structural members. Suggestions for the construction of the bridge system and of selected details as well as basics for calculation and design will be developed. This paper will focuses mainly on the design of fatigue-proof hanger connections, statically efficient hanger networks as well as arches, which have a high load carrying capacity along with low material consumption. In order to provide sufficient security against fatigue failure for the decisive connections of the hanger bars, stress peaks that cause cracks have to be minimized and homogeneous stress distribution within the whole element has to be ensured. Initially, this paper will delineate an optimal solution for hanger connections by means of parameter-based shape optimization and subsequent topology adaptation. In the following, an analytic formula for the stress concentration factor of this connection will be developed in order to enable the application of the notch stress concept for hanger connections. To apply the static advantages of network arch bridges efficiently, the arrangement of the hangers is essential. In order to determine the most efficient hanger arrangement, five possible hanger arrangements with varying parameters (slope of the hangers, number of the hangers and span of the bridge) will be analyzed and evaluated with respect to systematically selected static criteria. On the basis of these investigations, recommendations for engineers how to choose an optimized hanger arrangement according to different geometrical bridge parameters will be made. Additionally, the constructive design of the arches and the upper wind bracing as well as the associated structural behavior are significant when an efficient network arch bridge is to be designed. For this reason, this paper will analyze the influence of the arch-shape, the arch-geometry and the arch-stiffness as well as the design and construction of other structural members on the stability of the arch. Based on these results, the constructive parameters will be optimized in order to reduce the steel weight of the arch without significantly reducing the load carrying capacity. Furthermore, the influence of different imperfections on the arch stability will be analyzed and the form and size of the decisive initial deflections emphasized. Finally, systematically selected examples will provide a comparison between the developed solutions and existing bridge structures in order to demonstrate the efficiency of the optimized structure.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung einer optimalen Tragstruktur für Netzwerkbogenbrücken. Dabei wird die systematische Nutzung der Optimierungspotenziale dieses Brückentragwerkes an ausgewählten Tragwerkselementen erarbeitet. Es werden Lösungsvorschläge für die System- und Detailausbildung sowie Berechnungs- und Entwurfsgrundlagen entwickelt. Die Schwerpunkte der Arbeit bilden die Entwicklung von ermüdungssicheren Hängeranschlusskonstruktionen, statisch effizienten Hängernetzen sowie Bögen, die sich durch eine hohe Tragfähigkeit bei gleichzeitig geringem Materialverbrauch auszeichnen. Um eine ausreichende Ermüdungssicherheit der in dieser Hinsicht maßgebenden Hängeranschlusskonstruktionen zu gewährleisten, ist es notwendig, die risserzeugenden Spannungsspitzen zu minimieren und möglichst einen homogenen Spannungsverlauf über das gesamte Bauteil zu erzeugen. Mit Hilfe einer parametergestützten Gestaltoptimierung und anschließender Topologieanpassung wird zunächst eine optimale Lösung für die Hängeranschlusskonstruktion entworfen. Anschließend erfolgt die Entwicklung einer Bestimmungsgleichung für die Kerbwirkungszahl dieser Anschlusskonstruktion, welche die Anwendung des Kerbspannungskonzeptes für Hängeranschlüsse ermöglicht. Zur effizienten Nutzung der statischen Vorteile von Netzwerkbogenbrücken ist die Anordnung der Hänger von großer Bedeutung. Um die vorteilhafteste Hängeranordnung zu ermitteln, werden fünf mögliche Hängernetze mit variierenden Hängerneigungsparametern, Hängeranzahlen und Stützweiten hinsichtlich gezielt ausgewählter statischer Kriterien untersucht und bewertet. Daraus resultierend werden Empfehlungen formuliert, die dem Ingenieur die Wahl eines für entsprechende Rahmenbedingungen geeigneten Hängernetzes erleichtern. Auch die konstruktive Ausführung des Bogens sowie des oberen Windverbandes und das damit verbundene Tragverhalten sind beim Entwurf einer effizienten Netzwerkbogenbrücke von großer Bedeutung. Deswegen wird der Einfluss von Form, Geometrie und Steifigkeit des Bogens sowie von Ausführung und Konstruktion anderer Tragwerksteile auf die Bogenstabilität analysiert. Darauf aufbauend erfolgt die Optimierung dieser Konstruktionsparameter, um die Stahlmasse des Bogens ohne maßgebliche Reduzierung der Tragfähigkeit zu minimieren. Zusätzlich werden verschiedene Ersatzimperfektionen bezüglich ihrer Auswirkung auf die rechnerische Bogenstabilität untersucht und die maßgebenden Vorverformungen hinsichtlich ihrer Form und ihrer Größe herausgestellt. In ausgewählten Beispielen werden abschließend die entwickelten Lösungen mit Bauwerken aus der Praxis verglichen, um die Effizienz des optimierten Tragwerkes zu demonstrieren. / This work of research will tackle the development of an optimal structure for network arch bridges. The systematic employment of potentials to optimize these bridge structures will be examined for selected structural members. Suggestions for the construction of the bridge system and of selected details as well as basics for calculation and design will be developed. This paper will focuses mainly on the design of fatigue-proof hanger connections, statically efficient hanger networks as well as arches, which have a high load carrying capacity along with low material consumption. In order to provide sufficient security against fatigue failure for the decisive connections of the hanger bars, stress peaks that cause cracks have to be minimized and homogeneous stress distribution within the whole element has to be ensured. Initially, this paper will delineate an optimal solution for hanger connections by means of parameter-based shape optimization and subsequent topology adaptation. In the following, an analytic formula for the stress concentration factor of this connection will be developed in order to enable the application of the notch stress concept for hanger connections. To apply the static advantages of network arch bridges efficiently, the arrangement of the hangers is essential. In order to determine the most efficient hanger arrangement, five possible hanger arrangements with varying parameters (slope of the hangers, number of the hangers and span of the bridge) will be analyzed and evaluated with respect to systematically selected static criteria. On the basis of these investigations, recommendations for engineers how to choose an optimized hanger arrangement according to different geometrical bridge parameters will be made. Additionally, the constructive design of the arches and the upper wind bracing as well as the associated structural behavior are significant when an efficient network arch bridge is to be designed. For this reason, this paper will analyze the influence of the arch-shape, the arch-geometry and the arch-stiffness as well as the design and construction of other structural members on the stability of the arch. Based on these results, the constructive parameters will be optimized in order to reduce the steel weight of the arch without significantly reducing the load carrying capacity. Furthermore, the influence of different imperfections on the arch stability will be analyzed and the form and size of the decisive initial deflections emphasized. Finally, systematically selected examples will provide a comparison between the developed solutions and existing bridge structures in order to demonstrate the efficiency of the optimized structure.