Comperative structural analysis of suspension bridges with diagonal and vertical hangers

Abstract

15 Temmuz Şehitler Köprüsü (Boğaziçi Köprüsü) inşa edildiği 1973 yılında eğik askı kablolu en uzun köprüydü. Yakın zamanda bir güçlendirme ve iyileştirme projesi geçirdi ve İstanbul'un bu ikonik köprüsünün eğik askı kabloları düşey kablolar ile değiştirildi. Literatürde köprünün eğik kablolu düzeniyle ilgili, hem deneysel hem teorik çok sayıda araştırma bulunmaktadır. Bu araştırmalar eğik kablolu köprünün neredeyse bütün yapısal özelliklerini ortaya koysalar da düşey kablolu yeni düzeni üzerinde herhangi bir çalışma bulunmamaktadır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak Boğaziçi Köprüsü'nün en detaylı ve gerçekçi modellerinden biri üretilmiştir. Tabliye ve kuleler rijitleştirici levhalar gibi ince detaylarla gerçekçi üç-boyutlu kabuk (shell) yapılar olarak ele alınırken; ana kablo -modeli türünün tek örneği yapan eşsiz bir özellik- kuleler üzerindeki semerlerde sürtünmeli temas eden sürekli eleman olarak kabul edilmiştir. Bu modelde yapısal idealleştirmeleri minimum tutulması, çoğunlukla eşdeğer elemanlar kullanan diğer modellere göre ayırt edici niteliktedir.Hem eğik hem de düşey askı kablolu düzenlerin modellenmesinde bir ticari sonlu elemanlar programı çerçevesinde otomatikleştirilmiş kodlar kullanılmış, bu büyük iyileştirme projesinin serbest titreşim karakteristikleri ve kablolardaki gerilme dağılımları analiz edilmiştir.Literatür köprünün sadece eski, eğik kablolu düzenine ait sonuçları içermesi ve bu çalışma yeni düzene ait tek çalışma olması sebebiyle, analiz sonuçlarının doğrulaması varolan deneysel doğal frekans değerleriyle eğik düzen modelinin sonuçları kıyaslanarak yapılmıştır.Köprünün iki düzeninin doğal frekanslarının, anakablo, askı kabloları ve tabliyedeki gerilmelerin değişimleri kıyaslamalı olarak incelenmiştir. Bunlara ek olarak, modellere, köprünün gerçekte maruz kaldığı çeşitli sıcaklık değişimleri etkitilmiş, tabliyedeki gerilme değişimleri ve kablo kuvvetleri incelenmiştir. Eğik askı kablolu düzenin sıcaklık etkilerine karşı daha hassas olduğu, dolayısıyla yorulmaya yatkınlığı görülmüştür. Son olarak, sıcaklığın doğal frekanslara etkileri de gösterilmiştir.

15th July Martyrs Bridge (a.k.a. Bosphorus Bridge) was the longest bridge with diagonal hangers when it was constructed in 1973. Recently a retrofitting project was applied and the diagonal hangers of the aging bridge were changed with vertical hangers. Literature includes a large volume of studies on the diagonal configuration, both experimental and theoretical. These studies have addressed almost every structural aspects of this suspension bridge with diagonal hangers but there have not been any for the new vertical configuration. In this study one of the most detailed and realistic model of the Bosphorus Bridge is developed by using the finite element method (FEM). While the deck structure and towers are considered as realistic 3D shell structures with intricate details such as inner stiffener plates, the main cable is assumed continuous over the saddles with frictional contact -a unique detail of the model which makes it one of a kind. The model distinguishes itself from others as structural idealizations are kept at minimum unlike others which generally retain on equivalent super-structures. Both diagonal and vertical configurations are modeled in an automated scripted manner within a framework of a commercial FEM package and the effect of this major retrofit on the free vibration characteristics and cable stress distributions are analyzed. Since the literature includes only results for the old, diagonal configuration and this study is the only one addressing the new configuration, verification is carried out by comparing the natural frequencies with the existing experimental values on diagonal configuration. Changes in natural frequencies and altered stress distribution for the main cable, hanger cables and deck structure due to new (vertical) configuration are studied in a comparative fashion with respect to the old (diagonal) configuration. Furthermore, the models are subjected to various thermal conditions such that the bridge has been exposed to. Variations on the stress distributions of the deck structure and cable forces are investigated. It is seen that diagonal configuration is more sensitive to the thermal effects and thus the related fatigue. Finally, thermal effects on the natural frequencies are addressed as well.