163
2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz Luleå University of Technology MSc Programmes in Engineering Department of Civil and Environmental Engineering Division of Steel Structures 2005:248 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--05/248--SE

2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

  • Upload
    others

  • View
    10

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

2005:248 CIV

M A S T E R ' S T H E S I S

Optimized Design of Integral Abutmentsfor a Three Span Composite Bridge

Gabriela Tlustochowicz

Luleå University of Technology

MSc Programmes in Engineering

Department of Civil and Environmental EngineeringDivision of Steel Structures

2005:248 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--05/248--SE

Page 2: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Optimized design of integral abutmentsfor a 3 span composite bridge.

Gabriela T ustochowicz

Page 3: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz
Page 4: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of contents

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”

List of contents:

Preface … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. IAbstract … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... IIISummary … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . IV.I. Part1.0 Introduction … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  1

1.1 What are integral bridges … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … …  11.2 Advantages of integral abutment bridges … … … … … … … … … … … … … … … … …  21.3 Problems and uncertainties … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 3

2.0 Literature review … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 52.1 Types of piles … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 52.2 Piles configuration … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 52.3 Pile orientation … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 62.4 Pile­abutment connection … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 82.5 Length limits for integral bridges … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 92.6 Behaviour of piles supporting abutments … … … … … … … … … … … … … … … … .. 9

3.0 Practice … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 113.1 USA experience … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 113.2 Swedish experience from a new solution … … … … … … … … … … … … … … … … .. 133.3 Poland … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  153.4 United Kingdom … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .163.5 Germany … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  173.6 Canada … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 18

4.0 Design models and methods … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 194.1 General issue … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 194.2 Calculation methods … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 19

4.2.1 Equivalent cantilever method … … … … … … … … … … … … … … … … … …  194.2.2 Finite Element Method … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 204.2.3 The method of p­y curves … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 20

5.0 Theoretical background: Subgrade reaction modulus … … … … … … … … … … … … … .. 215.1 Winkler soil model … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  215.2 Subgrade modulus concept … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  245.3 Horizontal subgrade reaction modulus … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 25

6.0 Simplified (hand) calculation of piles … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 296.1 Global analysis … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 296.2 Ultimate limit state … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …  296.3 Calculation of the steel piles supporting integral abutment  … … … … … … … … … . 31

6.3.1 Data … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 316.3.2 Ultimate limit capacity … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 326.3.3 Serviceability Limit State … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 346.3.4 Conclusions … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 36

II Part1.0 Genaral data … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 37

1.1 Location … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 371.2 Soil conditions … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … . 381.3 Material properties … … … … … ...… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … . 381.4 General characteristics of the bridge … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 38

2.0 Initial assumptions and calculations comments… … … … … … … … … … … … … … … … . 41

Page 5: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of contents

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”

2.1 Design assuptions and calculation comments ..… … … … … … … … … … … … … … . 412.1.1 Bridge model … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . 412.1.2 Pile model … … … … … … … … ...… … … … … … … … … … … … … … … … ... 412.1.3 Earth pressure … ..… … … … … ...… … … … … … … … … … … … … … … … ... 42

2.2 Calculations of forces acting on piles … … … … … … … … … … … … … … … … … …  422.3 Calculations of initial imperfections of the piles … … … … … … … … … … … … … ... 442.4 Calculations of stresses … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 46

2.4.1 Piles cross­sections … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .... 472.4.2 Calculations … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ........... 48

2.5 Calculations of stresses with the use of simplified method ..… … … … … … … ......... 562.5.1 Ultimate Limit Capacity … … … … … … … … … … … … … … … … … ............ 572.5.2 Serviceability Limit State … … .… … … … … … … … … … … … … … … ......... 61

2.6 Comparison of stresses … … … … … … … … … … … … … … … … … … ........… … … …  653.0 Actions to lower the stresses in the piles … … … … … … … … … … … .. … … … … ........... 67

3.1 Elimination of horizontal displacements induced during casting … … … … … .......... 673.2 Lower the height of abutment … … … .. … … … … … … … … … … … … … … … ......... 673.3 Use softer material at the pile top … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … . 673.4 Construction of a hinge … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … . 70

4.0 Analysis with program SOFiSTiK … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … .. 734.1 Numerical model… … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 73

4.1.1 Types of elements… … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 734.1.2 Elements not included and simplifications … … … … … … … … … … … … …  73

4.2 Calculations… … .… … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 734.2.1 Design assumptions… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … ... 734.2.2 Calculations … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … . 73

5.0 Summary and conclusions … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … … … … … ... 83References … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. 83

Appendixes

A.     Appendix Calculations of forces and displacements ..… … … … … … … … … … … … … 85B.  Appendix: Geometry of the bridge.............................................................................. 117C.  Appendix: Calculation of pile and soil stiffnes............................................................ 121D.  Appendix: Loads ........................................................................................................ 133E.  Appendix: In­data files for caculations of inner forces in bridge members and forcesacting on the abutment  ...................................................................................................... 139F.  Appendix: In­data files for piles calculations .............................................................. 143G.  Appendix: Explanation of commends used in program CONTRAM ........................... 149

Page 6: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Preface

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”I

PREFACE

The  thesis  is  performed  for  a  company  Ramböll  Sverige  AB  in  Luleå  as  a  part  ofreasearch on development of integral abutment bridges and their wider application in Sweden.

I would like thank company Ramböll Sverige AB on Luleå for giving me the opportunity to carryout my thesis work at the company and for making me feel so welcome.

Especially I would like to thank my supervisor Professor Peter Collin for his great help, supportand good will.  I would also like to thank very much Hans Pétursson for his guidance during my workand for helping me with all the difficulties.

I would like to thank very much my family and friends for their support, help and belief in me.

Luleå, 2005­09­21

Gabriela T ustochowicz

Page 7: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of contents

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”II

Page 8: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Abstract

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”III

ABSTRACT

The aim of  the thesis  is  to analyse  the foundation piles supporting  the bridge over DalälvenRiver in the middle­east Sweden, which is designed as an integral abutment bridge. The analytical partof the work includes the checking of stresses in piles supporting integral abutments. The piles that areconsidered  are  steel  piles  with  three  different  cross­sections:  pipe  pile  with  outer  diameter  equals219.1  mm  and  12.5  mm  thick  and  two  different  cross­sections  of  X  piles  (200x30mm  and  180x24mm), which are the Swedish innovation in the field of integral abutments bridges. The piles analysedare  loaded  with  vertical  force  and  subjected  to  horizontal  displacement  caused  by  contracting  andexpanding under influence of temperature changes, but also by breaking and accelerating of vehicleson the bridge and shrinking and creeping of a concrete bridge deck. The particular attention is paid tothe  influence  of  displacements  perpendicular  to  the  longitudinal  axis  of  the  pile  for  the  pile’sbehaviour.  In  this  analysis  the  behaviour  of  pile  depends  a  lot  on  soil  surrounding  the  pile.  Inconnection with this fact the author paid also attention to modelling behaviour of different types of soilin  the  process  of  analysing  and  designing.  In  the  thesis  the  possible  solutions  enabling  reduce  thestresses in piles are also considered.

The  analysis  of  the  structure  is  done  with  the  help  of  two  computer  programs  using  FiniteElement Method and with the help of simplified method. In the Swedish program named CONTRAMconsidered structure  is analysed as a  flat  frame (two­dimensional model),  in  the program SOFiSTiKthe bridge  is  modelled  as  a  three­dimensional  structure,  however  the  simplified  analysis    concernedonly  the  vertical  piles  loaded  with  a  vertical  axial  force  and  subjected  to  lateral  and  rotationaldisplacements at the pile top. The methods and models used are described and compared.

Furthermore, rather an extensive review of available literature related to designing of integralbridges  is  included  in  the  thesis.  In  the  thesis  technological  solutions  applied  in  integral  abutmentbridges  and  advantages  (especially  from  economical  point  of  view)  and  disadvantages  of  thesestructures are discussed. Examples of application of the integral abutment concept in a few countries,where  the  widest  experience  belongs  to  United States of  America,  are presented.  Information aboutparticular objects is at times rather poor with regard to not bad availability in the literature concerningthe subject.

The  problems  and  uncertainties  applied  for  designing  integral  bridges  and  the  attempts  ofsolving  them are discussed. The  methods  and  models  available  in  the  literature used  for  analysis offoundation piles subjected to mentioned influences were described. One of the models, beam on elasticfoundation (or on Winkler’s foundation)  is discussed more in detail because of  the widespread usageof this model. Also in connection with this model, researches and analyses that had been carried out todefine elasticity of different types of soil, which created the theoretical base concerning the consideredsubject are also presented.

Page 9: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of contents

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”IV

SUMMARY

Part I

Chapter  1  Introduction  introduces  integral  and  semi­integral  bridges  as  structures  offeringnumerous  advantages  comparing  to  traditional  bridges,  especially  from  economical  point  of  view.However  this  type  of  structure  has  also  disadvantages  limiting  its  applications  and  those  are  alsodiscussed.

Chapter 2 Literature review has been done to recognise the current state of knowledge concerningintegral abutment bridges around the world with a special  interest  in following areas:  types of piles,pile  orientation,  pile­abutment  connection,  length  limits  for  integral  bridges  and  behaviour  of  pilessupporting abutments.

Chapter 3 Practice presents the gained information about a few countries and their experience indesigning and building integral bridges.

Chapter  4  Design  models  and  methods  describes  problems  and  uncertainties  connected  withdesigning integral bridges and the attempts to solve them. Different methods available in the literatureare presented with their advantages and disadvantages.

Chapter 5 Theoretical background includes a theoretical basis for the methods of analysing pilesunder  lateral  loads.  This  chapter  is  focused  on  the  soil  response,  soil  modelling  and  researchconsidering this subject.

Chapter 6 Simplified calculations of piles presents the simplified calculations for the vertical pilessubjected to vertical force, horizontal displacement and rotation at the pile top. There is also included atheoretical basis for the calculations.

Part II

Chapter 1 General data includes all the data and information necessary for designing bridge overDalälven.

Chapter 2 Initial calculations and stresses analysis includes the analysis of the whole bridge andthe  foundation  piles.  The  bridge  is  considered  as  supported  on  the  piled  integral  abutments.  Thischapter  also  compares  behaviour  of  piles  with  three  different  cross­sections  used  for  integralabutments. There are made calculations of forces and displacements acting on piles caused by appliedloads. Stresses in piles are calculated in two states according to Swedish norm.

Chapter 3 Actions to lower stresses presents calculations of stresses  in piles for different optionspossible to decrease stresses in piles.

Chapter 4 Analysis in program SOFiSTiK presents modelling and analysing bridge over Dalälvenas a three dimensional structure.

Chapter 5 Summary and conclusions presents final results and compares all the methods used  inthe thesis.

Page 10: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I1. Introduction

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”1

PART I1.0 Introduction

1.1 WHAT ARE INTEGRAL BRIDGES?

Development  of  traffic,  which  happens  nowadays  in  many  countries,  results  in  building  andmodernization roads and highways. This requires building a great number of small and medium spanbridges.  In  many  countries  as  Great  Britain,  Canada and  USA  these  objects  are  very  often  built  asintegral bridges.

Integral bridges are bridges where  the deck  is continuous and connected monolithically with  theabutment with a moment­resisting connection. As an effect we obtain a structure acting as one unit.

The  terminology  varies  in  different  sources,  so  sometimes  the  bridges  which  just  do  not  havedilatations are called  joint­less bridges. These structures still have bearings, so  the structure still canmove  in  the  horizontal plane  (but  these  movements  are  limited).In polish  literature,  there are  manydefinitions used with regard to discussed structures: bridges with spans connected with supports withno­hinged connection (with regard  to  the way of supporting spans on supports),  frame bridges (withregard  to  static  scheme  of  construction),  bridges  supported  on  piles  (with  regard  to  the  type  offoundation), etc. However, there is no definition which describes all the features of integral structures(a material, foundation type, static scheme and cooperation with surrounding soil).

 There  exists  also  a  design  variant  called  the  semi­integral  abutment  bridge,  which  is  acombination  of conventional and  integral  abutment bridge.  The  semi­integral  abutment  is  similar  tothe fully  integral abutment, except  for a  lateral  joint  forming a  rotational hinge above  the  top of  thepiles. To prevent shear displacements between the top and bottom sections of the abutment, a dowelpasses through this joint [1].

The  use  of  semi­integral  abutments  is  recommended  to  eliminate  passive  pressure  belowbridge seats and also for longer bridges to inhibit foundation restraint to longitudinal movement.

Abutment

Pile

Girder

DowelJoint filler

Pile cap

Pile

Abutment

Girder

Figure 1

Enlarged details of fully integral bridge and semi­integral bridge.

The  advantage  of  using  semi­integral  abutments  is  that  the  superstructure  behaviour  isindependent of the foundation type. Therefore, large spread footings or stiff pile groups can be used.

As  the  superstructure  of  the  bridge  expands  and  contracts  under  cyclic  movements  induced  bytemperature  variations  and  traffic  (influences  from  second  order  effects:  creep,  shrinkage,  thermalgradients,  differential  settlements,  differential  deflections  and  earth  pressure  also  should  beconsidered),  a  series  of  interactions  takes place.  We  can  observe  interactions between  the  abutmentand the approach fill, between the approach fill and the foundation soil, between the abutment and the

Page 11: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I1. Inroduction

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”2

piles supporting it, and between the piles and the foundation soil. Understanding those interactions isimportant for effective design and satisfactory performance of integral bridges.

The concept  of  integral abutment bridges is based on  the  theory that  the flexibility of  the pilingallows transferring thermal stresses to the substructure by the way of a rigid connection between thesuperstructure and substructure. Assumptions are made that concrete abutment contains sufficient bulkto  be  considered  as  a  rigid  mass.  The  positive  moment  connection  with  the  ends  of  the  beams  orgirders  is  provided  by  rigidly  connecting  the  beams  or  girders  and  by  encasing  them  in  reinforcedconcrete. This provides for full transfer to temperature variations and live load rotational displacementto  the  abutment  piling.    The  crucial  problem  concerning  piles  supporting  integral  bridges  is  theirbehaviour  under  cyclic  lateral pile  movements  induced by  temperature variations  and  traffic  (trafficacceleration,  breaking and  turning) and also by  rotations  of  the  superstructue.  These bridges  do  nothave  expansion  joints  so  the  structure  has  to  withstand  moves  back  and  forth  when  subjected  torepeated cyclic loading. However, the possibility of deflections is limited by structural integrity and itcauses  formation  of  additional  inner  forces  that  structure  has  to  withstand.  This  problem  is  alsoessential  for  development and  wider  application  of  integral bridges  and  to  find  out  which pile  typeperforms  in  best  way.    There  is  a  necessity  of  finding  a  reasonably  good  estimation  of  the  forcesgenerated  in  the  abutments  for  design  purposes  to  ensure  satisfactory  performance  of  the  integralbridges through their life service.

The integral abutment bridges are usually built as one, two or three span structures. The simplifiedgeometry of one span integral abutment bridge is shown on the Fig. 2.

Foundation Foundation

Abutment Abutment

Superstructure

Bridge systemApproach system

 Pevement  Approach slab Approach slab Pavement

Sleeperslab

BackfillBackfill

Sleeperslab

Approach slabs and sleeperslabs are optional elements

Figure 2

 Simplified geometry of an integral abutment bridge.

Integral abutment bridges have numerous attributes and few limitations. Detailed discussion ofthose is presented below.

1.2 ADVANTAGES OF INTEGRAL BRIDGES

Primarily,  integral  bridges  eliminate  the  problem  associated  with  movement  joints  andbearings. The reduction of initial cost is associated with elimination of expensive deck joints, anchorbolts, bearings and their  time and money consuming assembling.   We can also observe reduction oflong term maintenance costs. The maintenance costs reduction appears due to reduced corrosion (noleakage onto critical structural elements) and reduced material degradation. For this reason integratedbridges are becoming attractive options in cold climates such as northern United States, Canada andnorthern  Europe.  The  integrated  structures  can  eliminate  joint­related  damage  caused  by  the  use  ofdeicing chemicals and restrained growth of rigid movement. In conventional bridges, much of the costof  maintenance  is  related  to  repair of  damage  of  joints. Even  waterproof  joints will  leak over  time,allowing  water  (salt­leaden  or  otherwise)  to pour  through  the  join accelerating corrosion damage  togirder ends, bearings and supporting reinforced concrete substructures.   The dirt, rocks and trash areaccumulating in the elastomeric glands and leading to failure.

Page 12: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I1. Introduction

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”3

The  absence  of  deck  joints  has  also  advantage  for  bridge  users,  which  should  be  quiteimportant factor. The smooth structure without joints provides improved vehicular riding quantity anddiminishes vehicular impact stress level.

Bearings  are  especially  expensive  to  replace. Over  time,  steel  bearings  may  tip  over  and/orseize  up  due  to  loss  of  lubrication  or  build  up  of  corrosion.  Elastomeric  bearing  can  split  due  tounanticipated movements, or ratchet out of position. Avoiding  joints and bearing we can eliminate amajor source of bridges maintenance problems [2].

Integral bridges are also more favourable with a structural point of view. They have increasedreserve load capacity and load distribution, resulting in higher resistance to damaging effects of illegaloverloads. There is also observed reduction of number of foundation piles.

The  use  of  integral  abutments  allows  also  avoiding  the  risk  of  abutments  instability  andprovides  substantial  reserve  capacity  to  resist  potentially  damaging  overloads,  by  distributing  loadsalong the continuous and full­depth diaphragm at bridge ends.

Structural integrity has additional advantage, which is simplicity of design. An integral bridgemay, for analysis and design purposes, be considered as a continuous frame with a single horizontalmember and two or more vertical members. This eliminates separate design process for superstructureand  foundations.  On  the  other  hand,  integral  bridges  present  a  challenge  for  load  distributioncalculations because the bridge deck, piers, abutments, embankments and soil must all be consideredas a single compliant system. There are also some more complicated interactions which are difficult tomodel in design process.

The  article  [3]  presents  that  the  concept  of  integral  abutment  bridges  can  be  appliedsuccessfully  for  new  designed  and  built  bridges,  also  with  skewed  alignments,  as  well  as  forstrengthening  existing  bridges.  In  addition,  since  the  simple  design  of  the  integral  abutments  lendsitself to simple structural modifications, future widening or bridge replacement becomes easier.

1.3 PROBLEMS AND UNCERTAINTIES

Despite the significant advantages of integral abutment bridges, there are some problems anduncertainties associated with them.

The article written by John S. Horvath  [4] suggests  that  integral abutment bridges problemsare fundamentally geotechnical  in  the nature and  they can manifest  themselves both structurally andgeotechnically any time in the life of an integral abutment bridge.

Many  articles,  however  mention,  that  the  main  problem  connected  with  integral  abutmentbridges  are  consequences  of  temperature  variations  and  traffic  loads,  which cause horizontal bridgemovements. Horizontal movements and rotations of the abutment cause settlement of the approach fill,resulting in a void near abutment if the bridge has approach slabs.

Effects of lateral movements of integral abutments under cyclic loadings are obvious problemwhich demands solving, but positive aspect  in this case  is that  temperature induced displacements inthe traditional bridge is over twice bigger than displacement at the end of (considering objects with thesame  span  length)  integrated  structure  because  of  symmetrical  nature  of  the  thermal  effects  asillustrated on the Fig. 3 [5].

(a) freely supported (b) continuous

TT

< /2 < /2

Figure 3

 Thermal displacements of the load carrying structureFor  the reason of  temperature­induced displacements, concrete bridges are regarded as more

suited  for  integral  bridge  constructions  as  they  are  less  sensitive  to  temperature  variations  andrecommended especially in cold climates.

The other uncertainties connected with designing and performance of integral abutment bridges are:

Page 13: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I1. Inroduction

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”4

The elimination of intermediate  joints  in multiple spans results in a structural continuity thatmay  induce  secondary  stresses  in  the  superstructure.  These  forces  due  to  shrinkage,  creep,  thermalgradients,  differential  settlement,  differential  deflections,  and  earth  pressure)  can  cause  cracks  inconcrete bridge abutments. Wing­walls can crack due to rotation and contraction of the superstructure.

Some sources recommend  integral abutments  for skewed bridges, but  the design process  forthis  type of  structure should be careful and approximate methods should not be used. Most of  thesemethods  do  not  include  the  influence  of  torsional  moments  arising  in  integral  skewed  bridges.  Thebehaviour  of  skewed  integral  bridges  differs  from  straight  bridges.    Under  the  influence  of  cyclicchanges in earth pressures on the abutment, the skewed integral bridges tend to rotate [6]. In USA thedesign guideline recommends that the skew angles for integral bridges should be less than 20 degrees.

Bridge abutment can be undermined due to water entering into the approach fills at the bridge ends.

The piles  that  support  the  abutments  may be  subjected  to  high  stresses  as  a  result  of cyclicelongation and contraction of the bridge structure. These stresses can cause formation of plastic hingesin the piles and may reduce their axial load capacities.

The application of  integral bridge concept has few other  limitations. Integral bridges can notbe used with weak embankments or subsoil, and they can only be used for limited lengths, althoughthe  maximum  length  is  still  somewhat  unclear.  Integral  bridges  are  suitable  if  the  expectedtemperature  induced  moment  at  each  abutment  is  certain  value  specified  by  suitable  authorities  inevery country, and somewhat larger moments can be tolerable.

Page 14: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature rewiev

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”5

2.0 Literature  review

The objectives of literature review are:1) to recognize the current state of knowledge concerning integral bridges around the world,2) to  review  available  pile  types  and  solutions  used  in  steel  and  composite  bridges  with  integral

abutments,3) to synthesize the information available on the general behaviour of integral bridges.

The  results  of  literature  review  and  obtained  information  were  organized  according  to  followingareas of interest:

§ Types of piles§ Pile configuration§ Pile orientation§ Pile­abutment connection§ Length limits for integral bridges§ Behaviour of  piles supporting the abutment

2.1 TYPES OF PILES (AND PILES SIZE)

Literature  review  made  in  [6]  revealed  that  there  was  found  limited  number  of  publishedpapers in the subject area. These publications concerned behaviour of integral bridges (survey of fiveexisting  bridges:  The  Cass  Country  Bridge,  The  Boone  River  Bridge,  The  Maple  River  Bridge,  abridge in Rochester (Minnesota), Route 257 overpass on I­81 . All these bridges were supported by H­piles, which were able to withstand the loads, including those induced by temperature variations. Nosign of damage was reported. Author suggests that steel H­piles can withstand cyclic loading as longas the maximum stresses remain equal to or less than the nominal yield stress of the pile material.

After testing three types of piles, which were steel H­pile, steel pipe pile and concrete pre­stressedpile the author of [6] drew following conclusions and recommendations.

For a given pile width pipe piles have significantly higher  flexural stiffness  than steel H­piles  isweak axis bending. This  is why for a given displacement  in an abutment supported by pipe piles  thestresses will be higher then in an abutment supported by steel H­piles oriented in weak axis bending.In other words, the abutment will be more severely loaded if stiff pipe piles are used. Therefore, stiffpipe piles are not recommended for support of integral bridges.

Concrete  piles  are  not  recommended  for  integral  bridge  support,  because  under  lateral  loadstension  cracks  progressively  worsen  and  significantly  reduce  the  vertical  load  carrying  capacity  ofthese piles.

It  is  also  worth  mentioning  that  the  strongly  recommended  abutment  type  is  stub  abutment(abutments  with  a  length  ~1.0  m  below  the  deck  soffit),  because  the  use  of  this  type  of  abutmentreduces the detrimental effects of thermal­induced movements on the components of the bridge.

2.2 PILE CONFIGURATION

The only recommendation given by Tennessee Department  of Transportation  in  [7], but also byDepartments of Transportation  in many states,  is to use one row of piles driven vertically. Orientingpiles vertically causes that the abutment can move in the longitudinal direction and greater amount offlexibility is achieved to accommodate cyclic movements.

The  Swedish  innovation  in  integral  abutment  bridges  is  the  use  of  X­shaped  piles.  Piles  aresupposed to be located in one row vertically. The piles are rotated 45 degrees from the line of supportin order to minimise the bending stresses from traffic load (Fig. 4). [8]’

Page 15: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature review

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”6

1 1

45°

900 900 900 1500

Figure 4

Pile configuration in bridge over Fjällån.

2.3 PILE ORIENTATION

A survey taken in 1983 [9] demonstrated that states in USA differ in opinion and practice withregard to pile orientation. Fifteen states orient piling so that the direction of thermal movement causesbending  about  the  strong  axis  of  the  pile.  Thirteen  others  orient  the  piling  so  that  the  direction  ofmovement  causes  bending  about  the  weak  axis  of  the  pile.  Both  methods  have  proven  to  besatisfactory  to  the  respective  agencies.  Orienting  the  piling  for  weak­axis  bending  offers  the  leastresistance and facilitates pile­head bending for  fixed head conditions. However, due to  the potentialfor  flange  buckling,  the  total  lateral  displacement  that  can  be  accommodated  is  more  limited  thanwhen  the  piling  is  oriented  for  strong­axis  bending.  However  the  most  often  recommendation  is  tofacilitate the bending about weak axis of the pile, which means that the web of the H piles should beperpendicular to centreline of the beams regardless of the skew.

From the comparative analysis of two sizes of H­piles (HP 310x125 and HP 250x85) presentedin  [10]  it  was  concluded  that  the  axis  of  bending  has  only  a  negligible  effect  of  the  displacementcapacity of integral bridges with stub abutments. This may not be true for bridges with larger abutmentheight.

According to [11] it  is observed that at small abutment displacements where the backfill and thefoundation  soil  remains  within  elastic  limits,  the  size  and  orientation  of  the  piles  do  not  have  aremarkable  effect  on  the  magnitude  of  the  bending  moment  and  shear  forces  in  the  abutment.However, at larger displacements, as the size of pile increases, the maximum bending moment and theshear force in the abutment increases as well.

2.4 PILE­ABUTMENT CONNECTION

The  abutment­pile  connection  detail  is  believed  to  have  a  significant  influence  on  the  pile  stresses[12].

Anchorage of beams to pile cap Steel beams according to [13] should be connected to the pile caps with anchor bolts prior to makingintegral connections.

There are two solutions of pile – abutment connection proposed in [2]:− Placing beams on ¼  in. plain  elastomeric pads, anchor bolts pass from the abutment pile cap

through both the pad and the bottom flange of the beam or girder ( Fig. 5);

Page 16: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature rewiev

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”7

21

ELASTOMERIC PAD

4'' minimum6'' typical

ELASTOMERIC PAD

4'' minimum6'' typical

21

APPROACH SLAB

typical deckreinforcement

Figure 5

− Usage of taller projecting anchor bolts equipped with double nuts, one above and one below theflange;  this  method  provides  better  control  over  the  grade  of  the  beam  and  requires  lessprecision in preparing the bridge seats of the pile cap (Fig. 6).

21

4'' minimum6'' typical

ANCHOR BOLTW/ DOUBLE NUTS

typical deckreinforcement

APPROACH SLAB

21

4'' minimum6'' typical

RF BAR

ANCHOR BOLTW/ DOUBLE NUTS

Figure 6

The connection between  the  abutments  and  the  superstructure  shall  be  assumed  to bepinned for the superstructure’s design and analysis. The superstructure design shall include a check forthe adverse effects of fixity. [14]

The typical detail used in Scotch Road Bridge over Route I­95, showed on Fig. 7, is theother possible solution for pile – abutment connection detail, which insures full moment transfer.

Page 17: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature review

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”8

Figure 7

 The detail of pile­abutment connection used in Scotch Road, I­95 Integral Abutment Bridge

The alternate joint­less bridge detail is proposed in the article [15] and showed on the Fig. 8 Inthis option the beams are rigidly connected to pear caps and abutments, and a continuous reinforcedconcrete  or  asphalt  wearing  surface  is  provided.    When  steel  sections  are  used,  for  example,  shearconnectors  are  welded  to  beam  ends  and  encased  in  reinforced  concrete  pier  caps  and  abutments.Shear connectors are also welded to the top flanges to develop the composite action with a reinforcedconcrete deck slab.   These methods have been extensively used in New Zealand and Australia in lengths up to 160 feet.

Figure 8

Alternate joint less bridge detail for steel beam bridge.

2.5 LENGTH LIMITS

Reasons for length limitations for integral bridges: As  the  length of  integral bridges  increases,  the  temperature­induced lateral cyclic displacements

in  steel  piles  supporting  construction  become  larger  as  well.  As  a  result,  the  piles  may  experiencecyclic  plastic  deformations.  This  may  result  in  the  reduction  of  their  service  life  due  to  low­cyclefatigue  effects.  Thus,  the  lengths  of  integral  bridges  should  be  limited  to  minimize  such  determineeffects.

The ability of piles to accommodate lateral displacements is a significant factor in determining themaximum  possible  length  bridges,  because  temperature  induced  displacements  are  proportional  tobridge length. The way to build the longer bridges is to keep the stresses in piles low [16].

Page 18: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature rewiev

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”9

Maximum length for steel integral bridges recommended in United States range between 80 and145  m  in  cold  climates,  and  between  125  to  220  m  in  moderate  climates  [17].  Sometimes  thelimitations are not in force and there are built longer bridges. For example Tennessee Department ofTransportation recommends maximal length for steel bridges with integral abutments – 120 m and forconcrete bridges 240 m. The newer data available in article [17] considering length limits for integralabutment  bridges  from  various  state  departments  of  transportation  for  comparison  purposes  arepresented  in  Table  2.1.  The  longest  bridges  with  integral  abutments  are:  steel  bridge  –  152m  andconcrete bridge – 352 m. In Sweden and Great Britain the recommended length for integral abutmentbridges is 60 – 70 m [18].

Despite some recommendations, universal guidelines to determine the maximum length of integralbridges do  not  exist. Generally,  bridge  designers,  especially  in  USA,  depend  on  the performance  ofpreviously constructed integral bridges to specify the maximum lengths for their new designs.

According to [19] the most of the problems connected with temperature induced movements doesnot have substantial  influence on the work of construction with the total  length shorter than 60m. Inthe case of longer bridge there must be carried out researches to estimate approach fill movements, butthis kind of necessity do not exist very often, because in most of countries the percentage of new builtlong bridges is very small.

Table 2.1: Maximum length limits for integral bridges.Department ofTransportation

Steel bridgeslength [m]

Concrete bridgeslength [m]

Colorado 195 240Illinois 95 125New Jersey 140 140Ontario, Canada 100 100Tennessee 152 244Washington 91 107

It  is  noteworthy  that  concrete  bridges  are  more  recommended  than  steel  bridges  as  integralstructures. Assuming the same length and localization, the seasonal thermal­induced displacements insteel  integral bridge are about 20% bigger  than displacements  induced  in concrete bridge. The dailytemperature induced displacements for steel bridge can be around three times bigger than for concretebridge [19].

2.6 BEHAVIOUR OF PILES SUPPORTING THE ABUTMENTS

While  designing  integral  bridges,  designers  have  to  pay  special  attention  on  piles  supportingabutments.  One  of  the  not  finally  solved  problems  is  their  behaviour  under  influence  of  climatic,meteorological and topographic factors. In integral bridges the thermal deformations are considered asthree­dimensional and their  scale and directions depend on: geometry of  the bridge,  length of spans,height  of  the  supports,  type  of  cross­section,  deck/supports  stiffness  ratio  and  the  material,  that  thestructure is made of.

The number and magnitude of factors cause that this is not possible to accurately estimate valuesof  thermal  displacements  and  deformations,  so  also  we  can  observe  not  expected  behaviour  of  thebridge.This is why there are limitations in application of integral bridges [19].

The  ability  of  foundation  piles  to  carry  the  vertical  load  may  be  reduced  when  piles  aresubjected  to  lateral  displacements. Piles  can  fail  when  the  induced  lateral  loads  are  higher  than  theelastic  buckling  load.      The  effective  designing  of  piles  should  assure  the  low  level  of  stresses  indesigned piles. However  this may be difficult, because of a big number of parameters  that  influencethe magnitude of strains in the piles,  e.g. changes of temperature, number of  the trucks that pass thebridge and their weight, span length, stiffness of soil surrounding the pile, stiffness of the bridge deckand the height of the abutment wall.

Page 19: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I2. Literature review

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”10

One  of  used  methods  to  decrease  stresses  in  piles  is  using  predrilled  oversized  holes  filled  withloose sand after pile drilling, but this  is a good practice when the stiffness of removed soil  is higherthan that of the loose sand, this mean for very stiff soil [16].

The Figure 9 shows the installation of the sleeved HP piles within crushed stoned backfill. Thegap  between  the sleeving  is  filled  with  sand  to  facilitate  the  movement  of  the piles  as  subjected  tolateral displacements transferred from the superstructure (applied for The Scotch Road Bridge, locatedin Trenton, New Jersey). In USA there are similar recommendations to use pre­bored holes filled withgranular  material  as  one  of  the  solutions  to  make  the  abutment  more  compatible  with  longitudinalmovements [20].

Figure 9

Installation of the sleeved HP piles within crushed stoned backfill.

The opinions about behaviour of piles under vertical  loads and  influences  of  lateral movementsdiffer.  But  most  probable  opinion  scenario  is  that  although  a  section  in  steel  pile  may  reach  yieldstresses,  this does  not  imply  that  the ultimate  load  is  reached. The  further  load  increase  is possible,because the bending moment along the pile can be re­distributed. The more advanced tools at presentallow for analysis based on plastic design. If the elastic theory is used to design the piles, the momentre­distribution and effects of plastic behaviour of the pile can not be taken into account [21].

The behaviour of  piles  supporting  integral  abutments depends, between  others,  on  stiffness  ofsoil which  is adjacent to the piles. The research described  in [22] revealed that piles driven  in stiffersoils will experience moment magnitudes greater than those experienced by piles driven in softer soil.The models with  less stiff  soil are capable  to withstand a  larger axial  load  than  those  in stiffer soil.However  it  should  be  noticed  that  to  big  reduction  of  soil  stiffness  may  result  buckling  of  pilesbecause of lack of lateral support.  As described above, there are many factors that have an influence on behaviour of piles supportingintegral abutment bridges and this is the reason why it is very difficult to suggest design rules that arevalid for all bridges with integral abutment.

Page 20: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”11

3.0 Practice

Integral abutment bridges are not commonly used in Europe but the researches and observationsare  going  on  in  many  countries.  Lack  of  experience  in  designing  bridges  with  integral  abutmentsmakes  it  time  consuming.  Also  people  from  roads  administration  have  a  little  experience  andknowledge  in  this  field  and  therefore  demand vary detailed  analysis. The  increased  demand  of  verydetailed analysis makes the design process very expensive. The costs saved in construction stage maybe consumed in designing stage to make the offer satisfactory for everyone. Despite these problems,we can observe progress in this field in many countries.

3.1 UNITED STATES OF AMERICA

In the USA  integral abutment bridges have been built  since the 1960’s and are increasinglybeing used for replacement structures. The concept of integral abutment bridges has been proved to becompetitive in this country and it  is believed to be so  in most countries,  if only given the chance bycontractors  and  authorities.  Tennessee  with  more  than  2 400  bridges  with  integral  abutment  isprobably the state with the widest experience in this field.

The example of attempts to improve the integral abutment idea can be built in Tennessee StateBridge carrying Route 50 over Happy Hollow Creek (Fig. 10) at a  total  length of 1,175  ft. (358 m),which is the longest joint­less integral abutment bridge in the country.

Figure 10

Happy Hollow Creek

The other examples of integral abutment bridges built in USA are:

v Big East River Bridge, 63.4m long and 13.96m wide.

Figure 11

Big East River Bridge.

Page 21: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”12

v Highway  518  Parry  Sound  ­  one  span  bridge  with  the  length  of  47.4  m  supported  on  pilesHP310x310.

Figure 12

Highway 518 Parry Sound

v Duffin Creek Bridge

Figure 13

Duffin Creek Bridge

For bridges presented above  there has been found no data about  their performance. However  inUSA  there  is  a  big  number  of  bridges  with  integral  abutments.  For  example  authors  of  article  [1]present results of studies on behaviour of integral abutment bridges. Investigated bridges were:

v The Cass Country Bridge in Fargo, in Dakota, which is six spans concrete bridge. Total lengthof the bridge  is 137 m and width 9.7 m.  The bridge consists of six spans, 22.9 m each. TheBoone River Bridge, in central Iowa, which is also concrete bridge with pre­stressed concretegirders. The bridge is 98.9m long with four continuous spans and 12.2 m, with a skew of 45º.

v The Maple River Bridge located in northwest Iowa and consists of a composite concrete deckand steel girders.  Total bridge has three spans and is 97.5 m long. The bridge is 9.75 m wide,with a skew of 30º.

v The unnamed concrete bridge located in Rochester, Minnesota, built in 1996. The bridge is 66m long with 3 equal spans, 22m each and 12 m wide.

 All of those bridges are supported on H piles oriented in weak­axis bending under abutments. Thefirst of mentioned bridges has also integral piers but supported on H piles oriented in strong­axis

Page 22: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”13

bending.  For  three  out  of  four  examined  bridges,  the  foundation  piles  were  installed  in  predrilledboreholes.  Even  though  the  departments  of  transportation  in  many  states  recommend  for  integralabutments  one  row  of  vertical  piles,  the  Boone  River  Bridge  and  the  Maple  River  Bridge  havefoundation piles battered in the movement direction of the bridge. During the monitoring period of theCass Country Bridge, the strain gauges failed. However with analytical methods it was found that themaximal  stresses  in  piles  were  around  the  yield  stress.  For  two  other  bridges  monitoring  periodrevealed  that  stresses  in piles are around 60­75% of the nominal yield stress. For  the  last mentionedbridge the highest stresses  in piles were slightly above the nominal yield stress of the piles. In all ofthose  bridges  the  foundation  piles  were  able  to  tolerate  the  expansion­contraction  cycle  withoutdamage.

3.2 SWEDEN

In Sweden the concept of integral abutment bridges becomes more popular, but there  is a needto adapt wide American experience in this field to Swedish conditions. To develop the technology andsolutions  used  in  designing  and  building  integral  bridges  the  Division  of  Steel  Structures  at  LuleåUniversity  of  Technology  realised  a  post­graduate  project  –  the  licentiate  thesis  of  Hans  Pètursson[23].

The  thesis  included  static  testing  of  X­piles,  Swedish  innovation  in  integral  abutment  bridgestechnology.  The piles  tests  simulated  forces,  to which  piles  are  subjected  in  real conditions:  normalforces and  lateral displacements corresponding  to displacements  induced by  temperature movementsat the ends of the bridge. Of course, as it was said before, not only temperature induced expansion andcontraction,  but  also  by  changes  of  air  moisture,  traffic,  second  order  effects,  etc.  The  effects  ofmentioned influences were also analysed with help of computer simulations.

v Bridge over Fjällån

The new technology was put into practice while building the bridge crossing over the FjällånRiver [8].

Bridge  is  located  in  the Swedish province  Västerbotten.  This  is  a  single  span  composite bridgewith  a  span  of  length  of  37.15  m.  The bridge  is  supported by  eight X piles  (180x24  mm)  for  eachabutment. The piles were rotated 45 degrees from the line of support in order to minimise the bendingstresses.

Figure 14

Bridge over Fjällån after completion

Page 23: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”14

v Bridge over Hökvik River

    The bridge is located in the central part of Sweden. This is an arch bridge with the span length 42m.The idea of integral abutment bridge was used in this case to replace the old concrete bridge.

The construction works were completed in September 2004. The advantage of using integral abutmentbridge technology for the new bridge was that  the foundation of the old bridge was  left  in place andthe piles of the  integral abutments were driven just behind the old abutment (visible on the Fig. 15).The choice of integral abutments had time saving benefit, because the old abutment did not have to beremoved.

Figure 15

Bridge W1299 over Hökviksån in Linghed.

There was also used technology which allows decrease the stresses in piles caused by lateralmovements. The steel tubes were placed over the piles and the loose sand was filled around the piles.This action should minimise the pressure against  the piles, when  they  deform due to  translation androtation.    The piles supporting abutments are steel cross shaped piles (Fig.16) with width (b) equals 200mmand thickness (t) equals 30 mm. Under each abutment was placed one row of eight piles. Six of themwere driven vertically and two the outermost are inclined (4:1) to take counteract transverse horizontalloads, which are wind and transverse component of vehicle brake force.

h

t

b

a

Figure 16

 Cross section of X pile.

v One span, concrete, monolithic flyover showed on the Fig. 17 can be described as an exampleof the simplest integral flyover.

The  type  of  integral  bridge  shown  on  the  Fig.17  has  been  one  of  the  most  common  types  ofbridges in Sweden for over 70 years. In this country at least 8 000 out of 14 000 bridges owned by TheSwedish Road Administration are of the type shown above [24].

.

Page 24: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”15

Figure 17

The example of integral structure ­ monolithic concrete frame flyover .Integral slab frame bridge

One of the main reasons why integral abutment bridges have not become common in Swedenis the difficulty with analysing them.

3.3 POLAND

In Poland there is also visible interest in integrated  load carrying system and so­called smalland medium bridges are built as integral bridges. Unfortunately many designers did not include in thedesign  process  interactions  between  structure  and  surrounding  soil  while  temperature  inducedmovements.  Many  solutions  did  not  appear  favourably  because  proper  draining devices  were  notapplied.  These facts brought about that many solutions did not function properly [5].

According to Wojciech Trochymiak [6], the integral structures supported on piles are not, byno  means,  a  novelty.  They  were  built  already  before  the  II  World  War,  but  then  called  bridges  onFerro concrete piles.

There were for example built:v In 1930’s the bridge over Tarczynka River in Tarczyn,

Figure 18

v The bridge over the Srebrna River in Mi sk Mazowiecki,

Figure 19

Page 25: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”16

v The one span composite integral fly over in Wyszogród

Figure 20

The built ring road of Ostrowia Mazowiecka crosses the single­track railway line, so there wasa need to design two similar flyovers with a big angle of skew (130.29  between the longitudinal axisof the road and the longitudinal axis of the railway line).  The integral abutment solution was chosenfor  these  purposes  because  of  few  reasons.  The  main  reasons  are:  less  expected  maintenance  costscompared to a traditional solution and the big skew of the flyovers that would cause the necessity ofvery complicated bearings and dilatations.

Figure 21

One of the flyovers on the Ostrowia Mazowiecka ring road.

Even  though  the  interest  in  integral  abutment  bridges  arises,  nowadays  in  Poland  there  areneither  length  limitations  nor  recommendations  for  integral  bridges.  This  is  why  designers  almostnever choose integral structures [19].

3.4 UNITED KINGDOM

The one of the first integral bridges in UK was The North Shotton overbridge (Fig. 22) on theA1  Trunk  Road  in  Numberland.  The  bridge  was  designed  by  Northumberland  County  CouncilTechnical Services Consultancy on behalf of the Highways Agency using recommendations containedin a draft version of the design standard which was later issued as BA & BD 57 and with the help ofLUSAS Bridge analysis. The bridge is two spans continuous bridge with four steel plate girders and areinforced concrete deck. The abutments are supported on steel H piles oriented in weak axis bending.

Page 26: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: ”Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”17

Figure 22

The North Shotton over bridge.

In this country, the Highways Agency Departmental Standard, BD57, "Design for Durability",requires designers to consider designing all bridges with lengths of up to 60 metres and skew angles ofless  than  30  degrees  as  integral  bridges.  This  advice  is  intended  to  prevent  all  the  maintenanceproblems connected with transition joints.

3.5 GERMANY

v Berching South Bridgev Nesselgrund Bridgev Schwabachtal Bridgev Rednitztal Bridge (These bridges were built for the Deutsche Bahn AG)

3.6 CANADA

The examples of steel integral bridges supported on piled foundation type:

v Browns River BridgeThe bridge has steel I­girders and the span of length 15+60+15=90m. The bridge is 22.4 m

wide.

v Forbidden Plateau UnderpassThe bridge is one span with the length of 42 m and 22.4 m wide. Bridge has steel box girder.

Page 27: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I3. Practice

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”18

Page 28: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I4. Design models and methods

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”19

4.0 Design models and methods.

Integral  abutments  have  been  successfully  used  for  over  50  years,  but  their  implementation(especially  in  USA)  has  been  anything  but  an  exact  science,  but  rather  a  matter  of  intuition,experimentation  and  observation.  Despite  the  lack  of  proper  analytical  tools,  engineers  have  beenpushing the envelope by constructing longer and longer integral bridges, thus building on the lessonslearned. Since the age of the computer started, the tools have been developing and nowadays there is abig number of possible methods.   The design process demands prediction of behaviour of the wholestructure,  but  especially  problematic  for  integral  abutment  bridges  is  the  behaviour  of  the  pilessupporting abutments. The problems and uncertainties connected with designing integral bridges havebeen discussed in point 1.0. Here are presented chosen methods to analyse the piles under lateral loadsand also the whole structure, suggested in the literature as the most widely used.

4.1 GENERAL ISSUE

As we consider case when the soil along the pile  length is not changing and the soil stiffness  isconstant, the calculation of foundation piles  is not complicated.   In point 6.0 there  is the example ofcalculating  the  ultimate  limit  capacity  and  the  plastic  stresses  in  three  types  of  piles.  In  more  realcases,  when  the  soil  along  the  pile  length  varies,  the  common  practice  is  to  model  the  soil  byspecifying a series of spring supports along a pile. In this way we can approximate the soil behaviour,when the structural load effects are the main  item of interest. When the soil movement is of interestcontinuum models are used instead [21].

In designing steel piles supporting integral abutments there is no need to consider lateral­torsionalbuckling or global buckling  instability, because piles  are  laterally supported by  the surrounding soil.However,  the  width  to  thickness  ratios  of  the  flanges  and  the  web  for  steel  H  piles  (the  mostlyrecommended piles in most of states in USA) must be limited to allow for large plastic deformationswithout local buckling.

4.2 CALCULATION METHODS

The literature review in [7] presents various methods to calculate laterally loaded piles such as theMethod of p­y Curves Differential Equation, Closed Form Formula, Approximate Solution Methods,Empirical  Methods  and  Equivalent  Cantilever  Method.    These  methods  for  solving  laterally  loadedpile  problems are  mostly  empirical  since  the soil  modulus  is  not  a unique  soil  property. Numericalmethods such as finite difference and finite element methods provide very accurate results if the soilpressure is appropriately represented.

4.2.1 Equivalent cantilever method.

The equivalent cantilever method is a quite commonly used method and this is a simplified modeloffered  by  Abendorth.  The  soil­pile  system  is  modelled  as  an  equivalent  length  of  horizontallyunsupported  cantilever  beam­column  (the  model  showed  on  Fig.  23).  The  method  is  based  onanalytical  and  finite  element  studies  and  introduces  an  equivalent  cantilever  column  to  replace  theactual  pile.  In  other  words,  the  soil­pile  system  is  reduced  to  an  equivalent  cantilever  column.  Themethod  provides  two  alternatives  involving  both  elastic  and  plastic  behaviour.  Finite  elementsimulations indicated that both alternatives are conservative. Both alternatives are concerned with thevertical  load carrying capacity of piles under  lateral displacements  induced by  temperature changes,traffic and secondary forces. This method does not consider  the effects of the abutment­approach fillinteractions [16].

Page 29: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I4. Design models and methods

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”20

A bu tm ent

Pile

Le

M om en td iagram

Figure 23

Equivalent cantilever concept.

4.2.2 Finite Element Method

Finite  Element  Method  nowadays  is  probably  the  most  often  used  method  to  analyseconstructions. There  is a great number of computer programmes, which allow defining the structure,creating model and apply the loads. Proper analysis is mostly a matter of defining a model as near toreal conditions as possible.

 There are researches going on the proper integral bridge mode. Khodair and  Hassiotis present intheir  report  [13]  that  there  is a possibility  to model  integral abutment bridges with  the use of    finiteelement method model and obtain results very similar to experimental data (results were measured bydata acquisition system connected to  fully instrumented bridge).

For FEM analysis the most usual case is laterally  loaded piles modelled as elastic beam­columnand the soil as a series of uncoupled “Winkler” springs (more about the Winkler soil model  in point5.0) . The most proper representation of laterally loaded pile seems to be the 3D­model. The problemis three­dimensional, because apart from vertical force acting on the pile, lateral loading causes lateraldisplacements on planes perpendicular to the vertical axis of the pile.

4.2.3 The Method of p­y Curves

The p­y curve method is a widely used empirical method in the subject area and it considers thefact that the soil pressure (p) and the pile deflection (y) are non­linear. The essential of the method isto  introduce  a  series  of  p­y  curves  to  represent  the  true  behaviour  of  soils  by  considering  the  non­linearity of the soil modulus. The main purpose of the method is to obtain a representative value of kh–  modulus  of  horizontal  subgrade  reaction  for  the  desired  depth  and  deflection  values.  This  isaccomplished  through an  iterative process by assuming a  deflection and calculating  the  value  of  kh.The  iterations  are  continued  until  the  assumed  and  calculated  deflections  are  the  same  within  atolerance limit. When representative p­y curves are used, the method is capable of reflecting the realdeflection behaviour of the pile and the moment distribution along the pile. The challenge is to obtaina representative set of p­y curves for each site.

The  most  crucial point  of  the  solution  is  the proper  representation  of  the  soil  modulus  throughp(x).  If  p(x)  is  assumed  to  be  linear,  then  a  system  of  linear  equations  is  obtained.  The  solutionbecomes  trivial  with  matrix  solvers.  It  is  a  well  known  fact  that  p(x)  is  a  function  of  the  lateraldeflection, which leads to a set of non­linear equations. For nonlinear p(x), the solution is obtained byiterative procedures by assuming deflections for  each node and  thereby calculating p(x) and solvingfor qj (nodal unknowns) until the assumed and the calculated nodal unknowns are the same within atolerance range. The Newton and the Modified Newton methods are mostly used for iteration.

Page 30: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I4. Design models and methods

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”21

The p­y curve method is related to Subgrade Reaction Approach, which  is also one of the mostoften used methods to analyse the behaviour of piles  loaded  laterally. In this work piles are analysedwith  the use of Subgrade Reaction Approach and  this  method and  its assumptions will be discussedmore detailed in Chapter 4: Theoretical background.

Most of methods to solve laterally loaded pile problems are empirical, since the soil modulus isnot a unique soil property. According to Arsoy Sami [7] numerical methods such as finite differenceand  finite  element  methods  provide  very  accurate  results  if  the  soil  pressure  is  appropriatelyrepresented. The equivalent cantilever method does not consider the effects of the abutment/approachfill interactions.

Page 31: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I4. Design models and methods

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”22

Page 32: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:5. Theoretical backround

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”23

5.0 Theoretical background: Horizontal Subgrade Reaction Modulus.

The aim of this part is introduce theoretical basis used in designing foundations,  in considered inthis work case: piles subjected to vertical loads and lateral displacements.

5.1 THE WINKLER SOIL MODEL

The Winkler  soil  model  (1867)  treats  foundation as  a beam  on  the  elastic  foundation  (Fig. 24  ­above),  but  the  elastic  medium  is  replaced  by  a  series  of  infinitely  closely  spaced  independent  andelastic springs. The model for this soil idealization is showed below on Fig. 24 [25].

W

beam  of EI

reaction  dependent on  deflection ofindividual springs only

beam  of EI

Figure 24

 Beam on the elastic foundation (above), Winkler’s idealization (below)

For vertical  piles  there can be  made similar  idealization and  the predicted behaviour  of  thelaterally loaded piles according to Winkler’s idealization is showed on Fig. 25. Unfortunately, the realsoil­reaction  deflection  relationship  is  nonlinear  and  the  Winkler’s  idealization  would  requiremodification.

P

y

x

p=kxyx

Pile, EI

Pile beforeloading

Pile beforeloading

MQground surface

x

ground surface

M

Elastic springskh=p/y

Qy

P

Figure 25

 Laterally loaded pile in soil (on the left), laterally loaded pile on springs (right).

Page 33: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I5. Theoretical background

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”24

In  the Winkler’s  soil  idealization  the soil  is  represented by  springs. For  the  design purposethere is a need to determine the soil stiffness – spring constants. The stiffness of those springs can beexpressed with the use of modulus of horizontal subgrade reaction:

= 2length

forceypkh

wherep – the soil reaction at a point on the pile per unit of the length along the pile,y – the pile deflection at this point .

In some sources [25]  it  is  claimed that  the determination of deflections and moments of pilessubjected  to  lateral  loads  and  moments  based  on  the  theory  of  subgrade  reaction  is  unsatisfactory,because the continuity of the soil mass is not taken into account.

5.2 SUBGRADE MODULUS CONCEPT

The analysis of laterally loaded piles can be done generally in two ways. The first way is to findthe  allowable  lateral  load  by  dividing  the  ultimate  load  by  an  adequate  factor  of  safety.  The  othermethod  consists  in  finding  the  allowable  lateral  load  that  is  corresponding  to  an  acceptable  lateraldeflection. Those  two ways determine two groups of methods of analysing piles subjected  to  lateralloads.

In  the  analysis  done  in  this  work,  there  is  used  programme  CONTRAM  in  which  the  soil  isassumed to act as series of independent  linearly elastic springs (Winkler’s soil  idealization). For thisreason,  the discussion  in  this  chapter will  be  limited  to  method called  in  [25] Modulus of SubgradeReaction Approach (Reese and Matlock, 1956), which also treats a laterally loaded pile as a beam onelastic foundation.

In 1961 Vesic extended Biot’s work concerning a flexible beam supported on an elastic half space.He assumed piles as a  long relatively flexible member and showed that  the error in computations ofbending moments based on the subgrade reaction modulus is no more than few percent comparing tothe solution based on the theory of plasticity.

Therefore,  the  subgrade  modulus  concept  has  a  reasonable  theoretical  foundation  and  has  beenused in practice for a long time. This is quite commonly used method for computing response of pilesunder  lateral  loads.  The  advantage  of  this  method  is  a  relative  simplicity  and  this  method  canincorporate  factors  such  as  nonlinearity,  variation  of  subgrade  reaction  with  depth  and  layeredsystems. On the other hand this method has also disadvantages such as: not considering continuity ofthe soil and the use of modulus of subgrade reaction, which is not a unique soil property but dependson the foundation size and deflection.

The behaviour of a  laterally  loaded pile can be analysed by using the equation of a beam on theelastic foundation. For the case, when the modulus of subgrade reaction (kh) varies with depth and canbe expressed as a function of deflection (y) kh = f(y), the equation for the beam is following:

0)(4

4

=+EI

yyfdx

yd

For  the more simple case, when  the subgrade reaction modulus (kh)  is assumed as constant with  thedepth, the equation for the beam on the elastic foundation can be rewritten:

04

4

=+EI

ykdx

yd h

5.3 HORIZONTAL SUBGRADE REACTION MODULUS

In point 4.0 there has been described the p­y curve method, which is connected with the subgradereaction modulus concept. Fig. 26 shows a typical soil reaction versus deflection curve (p­y curve) forsoil surrounding laterally loaded piles.

Page 34: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:5. Theoretical backround

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”25

Deflection, y

Soil 

reac

tion,

 pSecant

modulus

p vs y

Tangentmodulus

Figure 26

Soil reaction versus deflection for soil surrounding a pile.

For soil reactions less than one third to one half of the ultimate soil reaction, the p­y                     relationship can be expressed adequately by a tangent modulus. The slope of the line is                     the coefficient of horizontal subgrade reaction for the pile, kh.

For soil reactions exceeding approximately one third to one half of the ultimate soil                     reaction, the secant modulus should be considered. The horizontal subgrade modulus                     becomes a function of the deflection.

Many researchers tried to find the actual variation of the subgrade modulus with depth and theresults of some of those can be found in [25].

The investigations considered different types of soil and the example results are as follows:

  Uniform preloaded cohesive soils

Terzaghi  (1955)  [25]  recommended  that  for  this  type  of  soil  the  kh  can be  assumed as  constantwith  depth  (k  =  const)  as  shown  on  the  Fig.  27  with  the  dashed  line.  However,  because  ofdeformations of the soil at the ground surface, there is more realistic variation of the subgrade reactionmodulus showed at the same figure by the solid line.

h

x

Assumedk = const

Probablereal

Figure 27

Variation of subgrade modulus with depth for preloaded cohesive soils.

Page 35: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I5. Theoretical background

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”26

§ Granular soils [25]

For these soils Tarzaghi (1995)  recommended that subgrade modulus can be considered as directlyproportional with the depth, so the variation of kh would look as shown on the Fig. 28 by the dashedline.  According  to  his  recommendations  the  sub  grade  reaction  modulus  can  be  expressed  with  thefollowing formula:

znk hh =where:nh – the constant of the horizontal sub grade reaction [units of force/length3],z – depth.However  the actual variation of kh with depth  is  indicated schematically by  the solid  line on

the Fig. 27.In 1962 Parkash demonstrated on  the  model  scale  that both  the Terzaghi’s  recommendation

for sands and the schematic variation presented with the solid line on the figure beneath are realistic.

Probablereal

xAssumedk = const

kh

Figure 28

Variation of subgrade modulus with depth for granular soils , normally loaded silts and clays.

The values of the coefficient of subgrade reaction nh were proposed for example by Davisson(1970) on the basis on simple soil tests and they can be regarded as reasonable. The estimated valuesof nh are presented in the Table 5.1.

Table 5.1 Estimated values of coefficient of subgrade reaction modulus after Davisson, 1970.

Soil type Values

Granular nh ranges from 0.408 to 54.4 MN/m3, is generally in the range from 2.72 to 27.2 MN/m3,  and is approximately proportional to relative density

Normally loadedorganic silt nh ranges from 0.1088 to 0.816 MN/m3

Peat nh is approximately 0.0544 MN/m3

Cohesive soils  kh is approximately 67 Cu, where Cu is undrained shear strength of the soil

In  subgrade  reaction  approach  the  distribution  of  subgrade  reaction  modulus  has  beenproblematic and also has been a subject of many investigations. Between many distributions that havebeen employed, the most widely used is that developed by Palmer and Thompson (1948), which is ofthe form:

Page 36: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:5. Theoretical backround

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”27

n

Lh Lzkk

=

where:kL – value of kh at the pile tip (z = L),L is pile’s length,z – any point along the pile depth,n – empirical index equal to or greater than zero.

The most common assumptions are that:n = 0 – when the modulus is constant with depth, that can be used for clay,n = 1 – when the modulus increases linearly with the depth, that can be assumed for granular

soil [26].  For the case n=1, it is convenient to re­express the variation of kh as follows:

=

dznk hh

where:nh – coefficient of subgrade reaction (units of force/length3),d –pile’s diameter,z – depth below the surface.

This formula is used in the Swedish code.

According to M. Dicleli and S.M. Albhaisi [17] the subgrade reaction modulus can be represented byformulas summarized in Table 5.2.

Table 5.2 Modulus of horizontal subgrade reaction, kh.

Soil type kh

Soft clay and stiff clay  9Cu/2.5 50

Very stiff clay 9Cu/4 50

Sand kz

Where:Cu – undrained shear strength of the clay [kPa],

50 – the soil strain at 50% of the ultimate soil resistance,k ­ coefficient of subgrade reaction (units of force/length3),kh – subgrade constant of the soil [kN/m3], (nh – mentioned above),z – depth below the ground surface [m].

Page 37: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I5. Theoretical background

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”28

Page 38: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:6. Simplified calculations

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”29

6.0 Simplified Calculation of piles

Presented  calculation  is  done  according  to  simplified  design  method  described  in  [12].    Thismodel includes the reduction in vertical load­carrying capacity of the piles due to lateral movement asan  important  parameter  in  designing  the  piles.  According  to  author  of  the  article  [12]  the  resultsreceived from the simplified model were compared to results from a nonlinear finite element programand shown to be conservative with respect to the finite element model.

6.1 GLOBAL ANALYSIS:

The calculations for integral bridges can be done with the use of different methods andtools.  The best  way  to  design  those bridges  seems  to be  designing  with  help of computer  programsusing Finite Element Method. This allows modelling the interaction between piles and the bridge deckand pile­soil  interaction  in a realistic manner. Unfortunately FEM non­linear calculations are usuallyvery  time  consuming  and  not  wide  spread  among  engineers.  For  wider  integral  abutment  bridgesapplication there is a need for a simpler method.The global analysis can be made with the use of programs where the bridge model can be built of 2Dbeam elements. The pile top connection can be regarded as pinned. It can be also assumed that girderextraction/contraction moves  take place without  resistance. Comparing  to  the stiffness of  the girder,the stiffness of the pile is very low and can be neglected.

To  include  the  normal  force  and  moment  of  the  earth  pressure  against  the  back  wall,  springelements  can  be  used.  The  springs  should  have  different  properties  in  tension  and  compression  toaccount for passive and active earth pressure.

The closest to reality static scheme of integral bridge seems to be frame structure. Unfortunately,with  the use of  this  scheme,  the  influence  of  the  earth pressure  acting  on  construction  that  changeswithin  the  time  and  also  the  influence  of  cooling  soil  on  the  bridge  supports  are  not  included  inanalysis.

The static­ strength analysis of  integral structures is usually done as for frame scheme treated asconsisting  of  beam  elements.  This  analysis  usually  does  not  include  influences  of  generated  in  thestructure deflections or forces on backfill, as it is for a frame scheme.

Considering  the  structure­soil  interactions,  makes  the  analysis  much  more  complicated  and  itcauses  more  difficulties  with  finding  satisfying  solutions.  Then,  the  problem  appears  to  modelproperly   backfill [19].

6.2 ULTIMATE LIMIT STATE.

According to Greimann and Wolde­Tinsae [28] the reasonable and conservative approximatecalculation  of  the  ultimate  load  can  be  obtained  using  the  Rankine  equation  which  combines  bothgeometric and material instabilities.

If  the only collapse consideration was a geometric instability,  the ultimate  load would equalthe  elastic  buckling  load  (Ncr),  i.e.  the  perfectly  elastic  case  showed  on  the  Figure  29a.  If  thegeometrical instability was not considered, and the only reason to collapse was assumed due to plasticeffects,  the  ultimate  load  (Vp)  would  occur  when  a  plastic  hinge  forms  and  produces  a  plasticmechanism. The Figure 29b illustrates the rigid­perfectly plastic case.

Page 39: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I6. Simplified calculations

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”30

Ncr Np

a. b.

h h

Figure 29

                                            a: perfectly elastic behaviour of the pile,                                                       b: rigid­perfectly plastic  behaviour of the pile.

Rankine equation: 0.1=+pl

u

cr

u

NN

NN

Nu – ultimate load,Npl – plastic capacity,Ncr – elastic buckling load,

Elastic  buckling  load  can  be  calculated  with  the  use  of  following  formulas  depending  onboundary conditions of the pile top and soil conditions.

Elastic bucklingload  Ncr

Hinged piletop

Fixed piletop

Constant soilstiffness

Linearly varyingsoil stiffness ( ) ( )2

553

3.2 hnEI⋅ ( ) ( )257

32.4 hnEI⋅

Where:kh – the initial stiffness of the soil,nh – constant of subgrade reaction, J/1,35.

If  the  soil  stiffness  varies  in  a  more  complicated  way,  there  can  be  calculated  equivalentstiffness of the soil and formulas given above still can be used.

Plastic capacityof the pile

Hinged piletop

Fixed piletop

Npl

h

plM∆

⋅ '2

h

plM∆

⋅ '4

M’pl – reduced plastic moment capacity,h – the lateral displacement of the pile top.

However,  to  handle  more  complicated  cases,  where  the  soil  stiffness  varies  with  the  depth,equivalent soil stiffness can be assumed.

EIkh5,2EIkh⋅0,2

Page 40: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:6. Simplified calculations

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”31

r

w

Nu

L

6.3 CALCULATIONS OF STEEL PILES SUPPORTING INTEGRAL ABUTMENTS.

The  aim  of  this  part  is  to  show  the  example  of  calculation  of  stresses  in  piles  subjected  tovertical  force,  horizontal  and  rotational  displacement  at  the  pile  top  with  the  help  of  one  of  thesimplified methods.

The calculation process  is based  on  the theory of beam supported  on elastic  foundation  that  isdiscussed in [30].

6.3.1 Data

Length of the pile:                             L=10[m]

Loads:               Nu =1 [MN]            ­ normal force,               w = 0,015 [m]        ­ lateral displacement,               r = 0,005 [­]            ­ rotational displacement,

Type of soil:  Loose sandSteel grade:  S355

MPaf yk 345=  ­ characteristic yield strength of the steel,

nm

ykyd

ff

γγ ⋅= (16<t 40mm) – designed yield strength of the steel,

0,1=mγ  [­]      ­ partial coefficient, depending on structure’s safety class,2,1=nγ [­]   ­ partial coefficient, depending on pile’s cross­section,

MPaf yd 5,2872,10,1

345=

⋅=

                                                                                                                               Figure 30

                                Pile model for simplified calculations.

Considered types of piles:

   The piles, which are considered  in  this comparative analysis are of  two types: steel X piles  (X200and X180) and steel pipe pile (Ø219.1x12.5) supplied by Rautaruukki Sverige AB.

20030 180

24

12,5

219,1

Figure 31

Piles cross­sections.Dimensions are given in [mm].

Page 41: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I6. Simplified calculations

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”32

bt

h

6.3.2 Ultimate limit capacity

The calculations of ultimate limit  capacity of the pile are done with  the use of Rankine equationand with assumptions that soil stiffness is constant with the depth and that pile is considered with fixedconditions.

Ultimate Limit State equation:

0.1=+pl

u

cr

u

NN

NN

where:Ncr ­ elastic buckling load, calculated from formula:

( ) ( )52

73

2.4 hcr nEIN ⋅⋅=  ­ for linearly varying soil stiffness,kh ­ the initial lateral stiffness of the soil,

zkh ⋅= 66   [kPa] (for loose sand according to [12]),z­ depth from soil surface [m],Assuming that the  stresses in pile are the highest at the top, the following values are taken:     z = 2.0 m     kh =  0.132 [MPa]E ­ Young's modulus of the steel [GPa],I ­ moment of inertia of pile cross­section [m4].

Npl ­ plastic capacity, calculated from formula, symbols Npl and Np are used iinterchangeably,

h

plpl

MN

∆=

'4

however plastic capacity can not be higher than AfN ydpl ⋅=max,

A – area of pile cross­section [m2],Mpl ­ plastic moment capacity [MNm],

ZfM ypl ⋅=  (assumption Mpl’=Mpl)

h ­ lateral displacement of a pile top [m],

   Formulas used in calculations:

* Moment of inertia of inclined rectangle:

12

2bthI =

* Moment of inertia of X­shaped cross­section:

22 bhhb =⇒=

( )61212

2122

2

122

122

4322

2

22 ttbtttbb

tttbthI −=⋅⋅

−⋅⋅

=⋅⋅

−=

* Static moment of cross­section:

222424

2tbbthhtbZ ==⋅⋅⋅=

Page 42: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:6. Simplified calculations

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”33

b

t

* Section modulus of the pile:

2hIW =

 PILE: X 200 (the cross­section is schematically presented on the figure below)

I= 0,0000199 [m4]

A= 0,0111 [m2]Z= 0,000424264 [m3]

Nu= 1 [MN]  ­ normal force,x= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 2,614 [MN]Mpl= 0,122 [MNm]Npl= 32,527 [MN]   > Npl,max= 3,191  [MN]

Hence Np = Npl,max

0.1696.0313.0383.0191.30.1

614.20.1

<=+=+=+p

u

cr

u

NN

NN

PILE: X 180I= 0,00001162  [m4]

A= 0,008064 [m2]Z= 0,00027492  [m3]

Nu= 1,0 [MN]  ­ normal forcex= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 2,075 [MN]Mpl= 0,079 [MNm]Npl= 21,077 [MN]  > Npl,max= 2,318  [MN]

Hence Np = Npl,max

0.1913.0431.0482.0318.20.1

075.20.1

<=+=+=+p

u

cr

u

NN

NN

PILE: Ø219.1x12.5I= 0,000043446 [m4]

A= 0,008113 [m2]Z= 0,0003966  [m3]

Nu= 1,0 [MN]  ­ normal forcex= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 3,652 [MN]

Page 43: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I6. Simplified calculations

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”34

Mpl= 0,114 [MNm]Npl= 30,406 [MN]   > Npl,max= 2,332 [MN]

Hence Np = Npl,max

0.1703.0429.0274.0332.20.1

652.30.1

<=+=+=+p

u

cr

u

NN

NN

            6.3.3 Serviceability Limit State

Calculations of stresses in Serviceability Limit State are done as for the beam on elasticfoundation according to Timoshenko’s theory that can be found in [30].

][355 MPafWM

AN

yk =≤+=σ

x – given horizontal displacement [m],

xLEIP

EILP

xb

xbx ⋅=⇒

⋅= 3

3 88 α

α

][0.1 −=α

γ⋅⋅

=4

bxx

LPM

0.1=γ [­] – for maximal bending moment, r – given rotational displacement [­],

rLEIM

EILMr

br

br

δδ =⇒=

Total bending moment:rx MMM +=

Lb – a buckling  length of  the pile,  defined as  the depth below which the displacements and bendingmoments at the pile head have little effect,

4 4h

b kEIL ⋅=

PILE: X 200I= 1,99045E­05 [m4]

A= 0,0111 [m2]W= 0,00028126  [m3]

L= 3,355 [m]

x= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,005 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 0,886Px= 0,01328 [MN]

Mx= 0,01114 [MNm]

Page 44: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I:6. Simplified calculations

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”35

EI/ L= 1,24597Mr= 0,00623 [MNm]

M= 0,01737 [MNm]

][355854.151108126.2

01737.0008113.0

0.14 MPaf yk =<=

⋅+=

−σ

PILE: X 180I= 0,00001162  [m4]

A= 0,008064 [m2]W= 0,000182668 [m3]

L= 2,932 [m]

x= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,005 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 0,774Px= 0,01161 [MN]

Mx= 0,00851 [MNm]

EI/ L= 0,83214Mr= 0,00416 [MNm]

M= 0,01267 [MNm]

][355][390.19310827.1

01267.0008064.0

0.14 MPafMPa yk =<=

⋅+=

−σ

PILE: Ø219.1x12.5

I= 0,000043446 [m4]A= 0,008113 [m2]W= 0,0003966  [m3]

L= 4,078 [m]

x= 0,015 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,005 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,07651Px= 0,01615 [MN]

Mx= 0,01646 [MNm]

EI/ L= 2,23746Mr= 0,01119 [MNm]

Page 45: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART I6. Simplified calculations

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”36

M= 0,02765 [MNm]

][355][973.19210966.3

02765.0008113.0

0.14 MPafMPa yk =<=

⋅+=

−σ

6.3.4 Conclusions:

The stresses in piles under the same vertical load and given rotational and vertical displacements:− Pile X 200

 = 151.854 [MPa]− Pile X 180

                                 = 193.390 [MPa]− Pile Ø219.1x12.5           = 192.973 [MPa]

   The calculation with the use of simplified method showed that the level of stresses can be lover if weuse the suitable cross­section of piles supporting integral abutment.  The stresses in piles X180 and apipe pile Ø219.1x12.5 are comparative, but with using bigger X­shaped pile we decreased the stressesabout 30 % (comparing to stress level in pipe piles).   Probably the deciding factor can be the argument connected with costs.

Page 46: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II:1. General data

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”37

PART II

The aim of this part is to present some parts of design process for an integral abutment bridgewith particular attention to analysis of behaviour of piles supporting abutments. In this work were useddata from projecting Bridge over Dalälven as a traditional structure with bearings and transition joints(made by Håkan Tornberg, Ramböll AB, Luleå). This part contains comparison of different types ofpiles in the matter of stresses caused by applied loads and their behaviour in integrated abutments.

1.0 General data

1.1 LOCATION

Analysed bridge is to be located in the middle­east Sweden in city Torsång over the river Dalälve.

                                                                               Torsång over Dalälven

Figure 32

 Location of the bridge.

Page 47: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II1. General data

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”38

1.2 SOIL CONDITIONS

The soil has been assumed  as very low compacted soil and ground over the level of ground waterand  the parameter  which  is  characterising  the  soil  is  the  coefficient  of  horizontal  subgrade  reactionnh=2.5MN/m3 . The value of nh was taken from Table 1 Swedish norm considering bridges Bro 2004.The maximal value of the subgrade reaction modulus for sand is 12 [MN/m2] (according to Table 2).In  calculations  the  soil  is  replaced  by  series  of  springs,  which  are  characterized  with  the  springconstants  (a subgrade reaction modulus).   The calculations of subgrade modulus values were done accordig to Swedish norm Bro 2004: Tables1 and 2 and the Appendix 3­4. The  subgrade  reaction  modulus  is  assumed  to  change  linearly  with  the  depth,  proportionally  to  thecoefficient  of  horizontal  subgrade  reaction  of  the  soil(nh),  what  is  expressed  with  formula:

]/[5,2 2mMNzznk hh ⋅=⋅= .

1.3 MATERIAL PROPERTIESConcrete K 40

Ec= 32 [Gpa]  ­ modulus of elasticity of concrete,f= 1,2 [­]  ­ safety factor,

Ec,eff=Ec/ f= 26,67 [Gpa]  ­ effective modulus of elasticity of concrete,

Ec, =Ec,eff/3= 8,89 [Gpa]  ­ modulus of elasticity of concrete in long term loading,

SteelEs= 210 [Gpa] ­ modulus of elasticity of steel,

girders: S420MS355J2G3other

elements: S355NHpiles: S355

1.4 GENERAL CHARACTERISTICS OF THE BRIDGE

Designed bridge  is  a  three  span bridge  with  spans  lengths  equal 38.5, 47  and 38.5  m,  totallength of the bridge is equal 124m.

4738,5 38,5

5

Figure 33

Bridge scheme.

Girders are made of welded I­sections placed at a nominal distance 5600 mm. Height of thegirders vary between 1250 and 2500 mm.

Page 48: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II1. General data

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”39

5600

2.5% 2.5% 2.5%

500 6500250

2750

total width of the bridge 10000 mm

Figure 34

One of bridge cross­secrions

Designed bridge is assumed to have integral abutments. Abutments are assumed to be single rowsof eight vertical piles. The outer piles are inclined in direction perpendicular to longitudinal axis of thebridge (inclination 1:4). All the calculations have been done for three considered pile types: X 180, X200 and Ø219.1x12.5. The abutment is 3.5 m high and  10 m wide, made of concrete.

10000

18002700

36004500

1:4

3500

Figure 35

Abutment schetch.

Page 49: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II1. General data

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”40

Page 50: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”41

kz

kx kr

2.0 Initial calculations and stresses analysis

2.1 DESIGN ASSUMPTIONS AND CALCULATION COMMENTS.

2.1.1 Bridge modelThe bridge has been modelled as a structure composed of beam elements. To model abutments

in program CONTRAM, the rows of piles have been replaced by three spring supports (visible on theFig.33 ).

2.1.2 Pile model:The spring constants  were  calculated  in  the  way presented below  with  the  help  of program

CONTRAM. The piles  have been  defined as  beams  supported on  series  of  springs  representing  soilresponse. The CONTRAM in­data files and results of those calculations are presented in Appendix Band  the  calculation  of  spring constants  representing piles  supporting  integral  abutments  is presentedbelow.

In  order  to  do  the  calculations  for  the  whole  bridge  in  program  CONTRAM,  the  piles  areidealized by three sets of springs: a lateral spring, a vertical spring and a point spring. To obtain theconstants for those springs there were done calculations for a single pile modelled as a beam supportedon elastic foundation and the soil was replaced by the series of springs.

The spring constants were calculated with the use of a simple formula:

∆=

Fk  [MN/m], [MNm/radian]

whereF – is an axial force, when calculating vertical and horizontal spring constant and a bending moment

for a rotational spring constant, [MN], [MNm],  –  a  displacement  related  with  acting  load,  adequately  horizontal  dispalacement  [m],  vertical

displacement [m] or rotation [radian].

Springs supporting a pile, representing the soil response are characterized with the spring constant(a  subgrade  reaction  modulus.  The  calculations  of  subgrade  modulus  values  were  done  accordig  toSwedish  norm  Bro  2004:  Tables  1  and  2  and  the  Appendix  3­4.  The  subgrade  reaction  modulus  isassumed  to  change  linearly  with  the  depth,  proportionally  to  the  coefficient  of  horizontal  subgradereaction of the soil(nh), what is expressed with formula: ]/[5,2 2mMNzznk hh ⋅=⋅= . The value of nh

was  taken  from  Table  1  (Bro  2004),  for  very  lowly  compacted  soil,  the  ground  over  the  level  ofground water. The maximal value of the subgrade reaction modulus for sand is 12 [MN/m2] (accordingto Table 2).

Page 51: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”42

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1kh

Table 2.1 Values of spring constants for considered pile.

Node  z [m] kh[MN/m]2 0,5 0,7031253 1,0 1,254 1,5 1,8755 2,0 2,56 2,5 3,1257 3,0 3,758 3,5 4,3759 4,0 5

10 4,5 5,62511 5,0 6,2512 5,5 6,87513 6,0 7,514 6,5 8,12515 7,0 8,7516 7,5 9,37517 8,0 1018 8,5 10,62519 9,0 11,2520 9,5 11,875

                                                                                                              Figure 36

                                                                                            Pile CONTRAM model.

Results:

Springconstant

Pile

Verticalkz

[MN/m]

Horizontalkx [MN/m]

Rotationalkr [MNm]

Pile X200 232,02 3,12 5,55Pile X180 168,92 2,52 3,61

Pile Ø219.1x12.5  169,78 4,27 10,40

2.1.3 Earth pressure:

On  the  special attention deservs  the  earth pressure  which  has  very big  influence  on piles  ingroud.  There  has  been  made  assumption  that    the  passive  earth  pressure  only  partly  counteractsdisplacements  caused by  other  loads.   Final displacements of bridge  ends have been  calculated  in  afollowing way: Final displacement of the bridge end: pcalc ∆−∆=∆Where:

calc – displacement caused by all the loads, except for earth pressure,p – displacement from earth pressure that can be taken into consideration,

passivepCONTRAMp p

p⋅∆=∆

pCONTRAM – displacement from earth pressure calculated in programe CONTRAM,activepassive ppp −=

Page 52: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”43

2.2 CALCULATIONS OF FORCES ACTING ON PILES.

Calculations  of  inner  forces  in  bridge  members  have  been  done  in  the  programmeCONTRAM. Applied loads are calculated in point 7.1. The analysis of inner forces in particular pileshas  been  done  according  to  Swedish  norm  BRO  2004.  There  have  been  considered  two  loadscombinations: IVA and VA.

Load  combination  IV:A  is  the  main  load  case  for  the  Ultimate  Limit    State.  In  this  loadcombination the number of variable loads that are taken into account is limited to four variable loadsthat  have  the  most  disadvantageous  influence.  The  most  disadvantageous  variable  loads  have  thehighest value of load coefficient  . Remaining variable loads have lower coefficients.

Load combination V:A is the main load case for Serviceability Limit State.

The  loads  coefficients  are  taken  according  to  Swedish  norm:  BRO  2004,  Chapter  2:Lastförutsättningar, Table 22­1: Lastkoefficient    för respektive lastkombination.

In order to obtain the highest possible value of vertical load acting on the pile, traffic load hasbeen taken as a dominant load. For maximal and minimal displacements (minimal in this case meansthe extreme value of displacement at the end of the bridge in opposite direction that it is considered formaximal displacement) the temperature loads have been taken as dominant loads.

Calculation procedure of forces acting on particular foundation piles and comments about theway of calculation are presented in Appendix A.

Results of calculations.

PILE X200Combination IV:A

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7796 0,604365 ­0,0589  ­0,016 0,05992 0,01261Maximal displacement 0,63 0,58 ­0,0693  ­0,0185 0,06459 0,01317Minimal  displacement 0,51 0,509344 0,02578  ­0,0094 ­0,0244 0,00617

Combination V:ANode 1  Node 10 Node 1 Node 10

Case N [MN] N [MN]  x [m] r [­] x [m]  r [­]Maximal  force 0,6413 0,605566 ­0,0589  ­0,016 0,06018 0,01247

Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0675  ­0,0185 0,06485 0,01303Minimal  displacement 0,47 0,467107 0,02578  ­0,0094 ­0,0193 0,00635

PILE X180Combination IV:A

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m]  r [­]

Maximal force 0,7821 0,60263 ­0,0601  ­0,016 0,05984 0,01262Maximal displacement 0,66 0,54 ­0,0648  ­0,016 0,06794 0,01097Minimal displacement 0,45 0,47046 0,0514  ­0,01 ­0,0514 0,00647

Page 53: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”44

Combination V:ANode 1  Node 10 Node 1 Node 10

[MN] N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m]  r [­]Maximal force 0,7241 0,60378 ­0,0603  ­0,016 0,06011 0,01248

Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0659  ­0,016 0,07045 0,01204Minimal displacement 0,48 0,51725 0,0466  ­0,01 ­0,0466 0,00685

PILE Ø219.1x12.5Combination IV:A

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal force 0,7847 0,603169 ­0,0479  ­0,0153 0,057674 0,011907Maximal displacement 0,70 0,58 ­0,0568  ­0,0153 0,066804 0,010432Minimal displacement 0,49 0,435704 0,04253  ­0,0145 ­0,03397 0,011701

Combination V:ANode 1  Node 10 Node 1 Node 10

Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal force 0,7267 0,604321 ­0,0475  ­0,0152 0,057881  0,011753Maximal displacement 0,67 0,60 ­0,0591  ­0,0174 0,06962  0,01154Minimal displacement 0,49 0,435704 0,04325  ­0,0093 ­0,03438  0,006363

2.3 CALCULATIONS OF INITIAL IMPERFECTIONS OF THE PILE.

The effects of piles initial imperfections and second order moments are considered in loadcombination IV. The initial imperfections of piles are calculated according to “Pålkommissionensrapport 98” chapter 5.2.6.

The total value of initial imperfection consists of dimension value and fictitious imperfection.The X­ shaped piles belong to the first stresses group and pipe piles belong to group 2, according toPålkommissionens rapport table 5.2.5 b.

Total value of initial imperfection: fd δδδ +=0 ’kf l⋅= 0003,0δ   ­ a fictitious imperfection for piles in group 1, according to Pålkommissionens

                               rapport 98 Tabel 5.2.5a,kf l⋅= 0013,0δ   ­ a fictitious imperfection for piles in group 2, according to Pålkommissionens

                               rapport 98 Tabel 5.2.5a,

600k

dl

=δ  ­ dimensioning value of geometrical imperfection according to Pålkommissionens rapport

                    98 chapter 4.3.1,

59.08.1

hk n

EIl ⋅⋅=   ­ buckling length of a pile,

E=210 [GPa] – Young’s modulus for steel, reduction of this modulus is recommended for compressedsteel members,nh=2,5 [MN/m3] – horizontal subgrade reaction coefficient,I – moment of inertia of pile cross­section [cm4].

Page 54: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”45

Pile X200I = 1990.454 [cm4]

mn

IElh

k 953.15.2

10454.19902100009.08.18.1 58

5 =⋅⋅⋅

⋅=⋅

⋅=−

mll kkdf 00384.0

6000003.00 =+⋅=+= δδδ

Pile X180I=1166.4 [cm4]

mn

IElh

k 791.15.2

104.11662100009.08.18.1 58

5 =⋅⋅⋅

⋅=⋅

⋅=−

mll kkdf 00352.0

6000003.00 =+⋅=+= δδδ

Pile Ø219.1x12.5I=4344.6 [cm4]

mn

IElh

k 332.25.2

106.43442100009.08.18.1 58

5 =⋅⋅⋅

⋅=⋅

⋅=−

mll kkdf 00692.0

6000013.00 =+⋅=+= δδδ

Values of initial imperfections of piles:0[m]

Node z[m]X200 X180  Ø219.1x12.5

kh[MN/m]

1 0 0 0 0 02 0,1 0,000625  0,000614  0,000929 0,253 0,2 0,001233  0,00121 0,001842 0,54 0,3 0,00181  0,001768  0,002721 0,755 0,4 0,00234  0,002272  0,003551 16 0,5 0,002809  0,002706  0,004317 1,257 0,6 0,003206  0,003058  0,005004 1,58 0,7 0,003521  0,003315  0,005601 1,759 0,8 0,003744  0,003471  0,006096 2

10 0,9 0,003871  0,00352 0,00648 2,2511 1 0,003897  0,003461  0,006748 2,512 1,1 0,003823  0,003296  0,006893 2,7513 1,2 0,003651  0,00303 0,006913 314 1,3 0,003384  0,002671  0,006808 3,2515 1,4 0,003029  0,002229  0,006579 3,516 1,5 0,002597  0,00172 0,006231 3,7517 1,6 0,002097  0,001157  0,005771 418 1,7 0,001544  0,000559  0,005205 4,2519 1,8 0,00095  ­5,6E­05  0,004546 4,520 1,9 0,000332  ­0,00067  0,003804 4,7521 2 ­0,00029  ­0,00126  0,002993 522 2,1 ­0,00091  ­0,00182  0,002128 5,2523 2,2 ­0,00151  ­0,00231  0,001224 5,524 2,3 ­0,00207  ­0,00274  0,000298 5,75

Page 55: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”46

0[m]Node z[m]

X200 X180  Ø219.1x12.5kh[MN/m]

25 2,4 ­0,00257  ­0,00308 ­0,00063 626 2,5 ­0,00301  ­0,00333 ­0,00155 6,2527 2,6 ­0,00336  ­0,00348 ­0,00244 6,528 2,7 ­0,00364  ­0,00352 ­0,00329 6,7529 2,8 ­0,00382  ­0,00345 ­0,00408 730 2,9 ­0,0039  ­0,00328 ­0,00479 7,2531 3 ­0,00387 ­0,003 ­0,00542 7,532 3,1 ­0,00375  ­0,00263 ­0,00595 7,7533 3,2 ­0,00354  ­0,00219 ­0,00637 834 3,3 ­0,00323  ­0,00167 ­0,00668 8,2535 3,4 ­0,00284  ­0,0011 ­0,00686 8,536 3,5 ­0,00237  ­0,0005 ­0,00692 8,7537 3,6 ­0,00184  0,000111  ­0,00685 938 3,7 ­0,00127  0,000723  ­0,00667 9,2539 3,8 ­0,00066  0,001313  ­0,00636 9,540 3,9 ­3,8E­05  0,001863  ­0,00593 9,7541 4 0,000587  0,002356 ­0,0054 1042 4,1 0,001197  0,002776  ­0,00477 10,2543 4,2 0,001776  0,003111  ­0,00405 10,544 4,3 0,00231  0,003351  ­0,00326 10,7545 4,4 0,002783  0,003488  ­0,00241 1146 4,5 0,003185  0,003517  ­0,00152 11,2547 4,6 0,003504  0,003439 ­0,0006 11,548 4,7 0,003733  0,003255  0,000335 11,7549 4,8 0,003866  0,002972  0,001261 1250 4,9 0,003898  0,002597  0,002163 1251 5 0,003831  0,002142  0,003026 12

The  calculations  of  inner  forces  in piles  subjected  to  vertical  force,  horizontal  displacementand rotational displacement acting at the pile top are made in programme CONTRAM with taking intoconsideration the second order effects (Appendix E). The values of force and displacements are takenfrom IV:A and V:A loads combinations.

2.4 CALCULATION OF STRESSES

Equation for stresses checking in Ultimate Limit State:

00,10

≤+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

where:NSd – acting normal force,NRd – normal force resistance,MSd – acting bending moment,MRd – bending moment resistance,

20 xηγ =

In considered cross­sections: yx ηη =  and depends on class of cross­section.

Equation for stresses checking in Serviceability Limit State:

ydfWM

AN

≤+=σ

Page 56: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”47

b t b t

t

D

h

r

h

where:N – normal force [MN],A – area of pile cross­section [m2],M – bending moment [MNm],W – second moment of area of pile cross­section [m3],

2.4.1 Piles cross­sections

Figure 37

Used piles cross­sections.

Class of cross­sections (according to “Dimensionering av stålkonstruktioner K18” Torsten Höglund )

fyk= 345 [MPa]

fyd= 287,5  [MPa]

Ek= 210 [GPa]

Pile X 200:b= 200 [mm]t= 30 [mm]

A= 111 [cm2]

W= 281,264  [cm3]

Z= 424,264  [cm3]

mmtbb f 852

302002

=−

=−

=

mmtt f 30==

f pl– limit flange’s slenderness,

][402,7345

2100003,03,0 −===yk

kfpl f

f – flange’s slenderness,

⇒=⟨=== 402,783,23085

fplf

ff t

bββ  cross­section class 1

Pile X 180:b= 180 [mm]

Page 57: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”48

t= 24 [mm]

A= 80,64  [cm2]

W= 182,67  [cm3]

Z= 274,92  [cm3]

mmtbb f 782

241802

=−

=−

=

mmtt f 24==

][402,7345

2100003,03,0 −===yk

kfpl f

⇒=⟨=== 402,725,32478

fplf

ff t

bββ  cross­section class 1

Pile Ø219.1x125D= 219,1 [mm]t= 12,5 [mm]

A= 81,13 [cm2]

W= 396,6 [cm3]

Z= 396,6 [cm3]

⇒==<== 26,18345

21000003,003,0528,165,126,206

yk

k

fE

tr

 cross­section class 1

For the cross­sections in the class 1:

WZ

The cross­section resistances should be calculated according to following formulas:

ydRd fAN ⋅=  [MN] – normal force cross­section resistance,

ydRd fWM ⋅⋅= η  [MNm] – bending moment cross­section resistance,

2.4.2 Calculations

Steel S355

fyk= 345  [MPa]

fyd= 287,5  [MPa]

Ek= 210  [GPa]

mmtDr 6,2065,121,219 =−=−=

Page 58: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”49

PILE X200

Combination IV:A (Ultimate Limit State)Node 1  Node 10 Node 1 Node 10

Case N [MN]  N [MN] x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal  force 0,7796 0,604365 ­0,0588579  ­0,0160293 0,05991694 0,01261322

Maximal displacement 0,63 0,58 ­0,0693442  ­0,018543 0,06458768 0,01317466Minimal  displacement 0,51 0,509344 0,02577715 ­0,0094497 ­0,0243917  0,00617179

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal  force 0,7801 0,2871Maximal displacement 0,6306 0,3365Minimal  displacement 0,5103 0,03422

= 1,50841914  [­]

0= 2,27532829  >2,0 0=2,0  [­]

NRd= 3,19125 [MN]

MRd= 0,1219759  [MNm]

* maximal force

0.1413.23533.20598.0122.02871.0

19125.37801.0 20

>=+=+

=+

RD

Sd

RD

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment

0.1797.27582.20391.0122.03365.0

19125.36306.0 20

>=+=+

=+

RD

Sd

RD

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* minimal bending moment

0.14404.02805.01599.0122.0

03422.019125.35103.0 20

<=+=+

=+

RD

Sd

RD

Sd

MM

NN

γ

OK

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total ­0,05886 ­0,01603 0,059917 0,012613castings  ­0,03931 ­0,01271 0,039314 0,009553

Maximalforce

% 66,8 79,3 65,6 75,7total ­0,06934 ­0,01854 0,064588 0,013175castings ­0,03931 ­0,01271 0,039314 0,009553Maximal

displacement% 56,7 68,5 60,9 72,5

Page 59: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”50

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7796 0,566213 ­0,0195  ­0,0033 0,020603 0,00306Maximal displacement 0,63 0,51 ­0,03  ­0,0058 0,025274 0,003622

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal  force 0,7799 0,0861Maximal displacement 0,6302 0,1268

* maximal force

0.1765.07057.00597.0122.00861.0

19125.37799.0 20

<=+=+

=+

RD

Sd

RD

Sd

MM

NN

γ

OK

* maximal bending moment

0.1081.1039.1.10416.0122.01268.0

19125.36302.0 20

>=+=+

=+

RD

Sd

RD

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Combination V:A (Serviceability Limit State)

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN] N [MN] x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,6413 0,605566 ­0,0589355  ­0,0160293 0,06017914 0,01247072Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0674833  ­0,018543 0,06484988 0,01303216Minimal  displacement 0,47 0,467107 0,02577715 ­0,0094497 ­0,0193227  0,00635302

Inner forces in piles:Force

NSd [MN]Moment

MSd[MNm]Maximal  force 0,6413 0,2905

Maximal displacement 0,55 0,3338Minimal  displacement 0,47 0,03446

A= 0,0111 [m2]

W= 0,00028149  [m3]

Stresses in piles:* maximal force

][355783.1089008.1032775.57108149.2

2905.00111.06413.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355383.1235833.1185550.49108149.2

3338.00111.055.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

Page 60: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”51

* minimal bending moment

][355762.164420.122342.42108149.2

03446.00111.047.0

4 MPaf yk =<=+=⋅

+=−

σ OK

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total ­0,05894 ­0,01603 0,060179 0,012471castings  ­0,04128 ­0,01334 0,04128  0,010031

Maximalforce

% 70,0 83,2 68,6 80,4total ­0,06748 ­0,01854 0,06485  0,013032castings ­0,04128 ­0,01334 0,04128  0,010031Maximal

displacement% 61,2 71,9 63,7 77,0

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,6413 0,6056 ­0,0177  ­0,0027 0,018899 0,00244Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0262  ­0,0052 0,02357  0,003002

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal  force 0,6413 0,07537Maximal displacement 0,55 0,1184

Stresses in piles:* maximal force

][355529.325754.267775.57108149.2

07537.00111.06413.0

4 MPaf yk =<=+=⋅

+=−

σ OK

* maximal bending moment

][355169.470619.420550.49108149.2

1184.00111.055.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

PILE X180

Combination IV:A (Ultimate Limit State)Node 1  Node 10 Node 1 Node 10

Case N [MN] N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal force 0,7821 0,602627 ­0,0601  ­0,016 0,059837 0,012616

Maximal displacement 0,66 0,54 ­0,0648  ­0,0158 0,067939 0,010967Minimal displacement 0,45 0,470465 0,05141  ­0,0099 ­0,05139 0,006466

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal force 0,7824 0,2039Maximal displacement 0,6603 0,2152Minimal displacement 0,4506 0,08975

Page 61: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”52

= 1,505  [­]

0= 2,2652  >2,0 0=2,0 [­]

NRd= 2,3184  [MN]

MRd= 0,079  [MNm]

* maximal force

0.1698.2581.21173.0079.0

2039.03184.27824.0 20

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment

0.1769.2724.204469.0079.0

2152.03184.26603.0 20

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* minimal bending moment

0.1174.1136.10378.0079.0

08975.03184.24506.0 20

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total  ­0,06006 ­0,01597 0,059837 0,012616castings  ­0,0398  ­0,01283 0,039799 0,009707

Maximalforce

% 66,3 80,3 66,5 76,9total ­0,06479 ­0,01581 0,067939 0,010967

castings ­0,0398  ­0,01283 0,039799 0,009707Maximaldisplacement

% 61,4 81,2 58,6 88,5

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7821 0,602627 ­0,0203  ­0,0031 0,020038 0,002909Maximal displacement 0,66 0,54 ­0,025  ­0,003 0,02814  0,00126

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal  force 0,7822 0,06265Maximal displacement 0,6601 0,07359

* maximal force

0.1907.0793.01139.0079.0

06265.03184.27822.0 20

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

* maximal bending moment

0.1013.19315.00811.0079.0

07359.03184.26601.0 20

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Page 62: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”53

Combination V:A (Serviceability Limit State)

Node 1 Node 10 Node 1 Node 10[MN] N [MN] N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal force 0,7241 0,603784 ­0,0603  ­0,016 0,060114 0,012476Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0659  ­0,0158 0,070445 0,012037Minimal displacement 0,48 0,517255 0,04663  ­0,0099 ­0,04663 0,006847

Inner forces in piles:Force

NSd [MN]Moment

MSd[MNm]Maximal force 0,7241 0,2023

Maximal displacement 0,55 0,2166Minimal displacement 0,48 0,07949

A= 0,00806 [m2]

W= 0,00018267 [m3]

Stresses in piles:* maximal force

][355300.1197462.1107839.89108267.1

2023.000806.07241.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355813.1253745.1185069.68108267.1

2166.000806.0

55.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

* minimal bending moment

][355950.495156.435794.60108267.1

07949.000806.0

48.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total ­0,06027 ­0,01597 0,060114 0,012476castings ­0,04233 ­0,01365 0,042327 0,010317Maximal

force% 70,2 85,4 70,4 82,7

total ­0,06594 ­0,01581 0,070445 0,012037castings ­0,04179 ­0,01347 0,041789 0,010192Maximal

displacement% 63,4 85,2 59,3 84,7

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7241 0,603784 ­0,0179 ­0,0023 0,01779 0,00216

Maximal displacement 0,55 0,55 ­0,0242 ­0,0023 0,02866 0,00184

Page 63: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”54

Inner forces in piles:Force

NSd [MN]Moment

MSd[MNm]Maximal  force 0,7241 0,05166

Maximal displacement 0,55 0,0673

Stresses in piles:* maximal force

][355644.372805.282839.89108267.1

05166.000806.07241.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355662.436424.368238.68108267.1

0673.000806.0

55.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

PILE Ø219.1x12.5

Combination IV:A (Ultimate Limit State)

Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Case N[MN] N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal force 0,7847 0,603169 ­0,0479  ­0,0153 0,057674 0,011907Maximal displacement 0,70 0,58 ­0,0568  ­0,0153 0,066804 0,010432Minimal displacement 0,49 0,488274 0,04253  ­0,0145 ­0,03397 0,011701

Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7855  0,4173Maximal displacement 0,7009  0,4654Minimal displacement 0,491  0,0758

= 1 [­]

0= 1 [­]

NRd= 2,332488  [MN]

MRd= 0,114023  [MNm]

* maximal force

0.1442.51053.53369.01140.0582.0

3325.27858.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment

0.1568.52675.53005.01140.06005.0

3325.27012.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Page 64: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”55

* minimal bending moment

0.1808.05976.02104.01140.006813.0

3325.24908.0 10

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total ­0,04789 ­0,0153  0,057674 0,011907castings  ­0,02755 ­0,01211 0,037553 0,009009Maximal

force% 57,5 79,2 65,1 75,7

total ­0,0568  ­0,01533 0,066804 0,010432castings ­0,02755 ­0,01211 0,037553 0,009009Maximal

displacement% 48,5 79,0 56,2 86,4

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7847 0,6032 ­0,0203  ­0,0032 0,020121 0,002898Maximal displacement 0,70 0,58 ­0,0293  ­0,0032 0,029251 0,001423

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal  force 0,785 0,146Maximal displacement 0,7004 0,1939

* maximal force

0.10613.37146.23367.0114.0

3106.03325.27853.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment

0.12307.39263.23044.0114.0

3336.03325.27006.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Combination V:A (Serviceability Limit State)Node 1  Node 10 Node 1 Node 10

Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]Maximal force 0,7267 0,604321 ­0,0475  ­0,0152 0,057881 0,011753Maximal displacement 0,67 0,60 ­0,0591  ­0,0174 0,06962  0,01154Minimal displacement 0,49 0,488274 0,04325  ­0,0093 ­0,03438 0,006363

ForceNSd [MN]

MomentMSd[MNm]

Maximal force 0,7267 0,4169Maximal displacement 0,67 0,5027Minimal displacement 0,49 0,1351

Page 65: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”56

A= 0,008113  [m2]W= 0,0003966 [m3]

Stresses in piles:* maximal force

][355757.1140185.1051572.8910966.3

4169.0008113.07267.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355108.1350524.1267584.8210966.3

5027.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

* minimal bending moment

][355042.401645.340397.6010966.3

1351.0008113.0

49.04 MPaf yk =<=+=

⋅+=

−σ OK.

Node 1 Node 10Case x [m] r [­] x [m] r [­]

total ­0,04753 ­0,01522 0,057881 0,011753castings  ­0,02893 ­0,01271 0,039431 0,009459

Maximalforce

% 60,9 83,5 68,1 80,5total ­0,05912 ­0,01735 0,06962  0,01154castings ­0,02893 ­0,01271 0,039431 0,009459Maximal

displacement% 48,9 73,3 56,6 82,0

Displacements at the pile top without including casting caused displacements:

Node 1  Node 10 Node 1 Node 10Case N [MN]  N [MN]  x [m] r [­] x [m] r [­]

Maximal  force 0,7267 0,6043 ­0,0186  ­0,0025 0,01845  0,002293Maximal displacement 0,67 0,60 ­0,0302  ­0,0046 0,030189 0,002081

Inner forces in piles:Force

NSd [MN]Moment

MSd[MNm]Maximal  force 0,7267 0,1268

Maximal displacement 0,67 0,2115

Stresses in piles:* maximal force

][355290.409718.319572.8910966.3

1268.0008113.07267.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355867.615283.533584.8210966.3

2115.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

Page 66: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”57

2.5 CALCULATION OF STRESSES WITH THE USE OF SIMPLIFIED METHOD

Steel grade:  S355

MPaf yk 345=

MPaf yd 5,287=][210 GPaE = ­ Young's modulus of the steel ,

2.5.1 Ultimate Limit CapacityUltimate Limit State equation:

0,1=+p

u

cr

u

NN

NN

where:Ncr ­ elastic buckling load, calculated from formula:

( ) ( )52

73

2.4 hcr nEIN ⋅⋅=  ­ for linearly varying soil stiffness,kh ­ the initial lateral stiffness of the soil,

zkh ⋅= 5.2  [MPa] (for loose sand),z­ depth from soil surface [m],Assuming that the  stresses in pile are the highest at the top, the following values are taken:     z = 0.1 m     kh =  0.25 [MPa]I ­ moment of inertia of pile cross­section [m4].

Np ­ plastic capacity, calculated from formula:

h

plp

MN

∆=

'4

however plastic capacity can not be higher than AfN ydpl ⋅=max,

A – area of pile cross­section [m2],Mpl ­ plastic moment capacity [MNm],

ZfM ypl ⋅=  (assumption Mpl’=Mpl)

h ­ lateral displacement of a pile top [m],

PILE: X 200

Case N[MN]  x [m] r [­]Maximal force 0,7796  ­0,0589  ­0,016Maximal displacement 0,63 ­0,0693  ­0,0185Minimal displacement 0,51 ­0,0258  ­0,0094

I= 1,99E­05  [m4]A= 0,0111 [m2]Z= 0,0004243 [m3]

Page 67: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”58

* maximal forceNu= 0,7796 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0589 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,579 [MN]

Mpl= 0,122 [MNm]Npl= 8,284 [MN]  > Npl,max=   3,191 [MN]

Np = Npl,max

0.159.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* maximal displacementNu= 0,63 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0693 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,579 [MN]Mpl= 0,122 [MNm]Npl= 7,040 [MN]  > Npl,max=   3,191 [MN]

Np = Npl,max

0.1285.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* minimal displacementNu= 0,51 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0258 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,579 [MN]Mpl= 0,122 [MNm]Npl= 18,911 [MN]  > Npl,max=   3,191 [MN]

Np = Npl,max

0.1040.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

PILE: X 180Case N[MN]  x [m] r [­]Maximal force 0,7821  ­0,0601  ­0,016Maximal displacement 0,66 ­0,0648  ­0,0158Minimal displacement 0,45 0,05141  ­0,0099

I= 1,162E­05 [m4]A= 0,008064  [m2]Z= 0,0002749 [m3]

Page 68: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”59

* maximal forceNu= 0,7821 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0601 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,460 [MN]

Mpl= 0,079 [MNm]Npl= 5,261 [MN]  > Npl,max=   2,318 [MN]

Np = Npl,max

0.1032.2 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* maximal displacementNu= 0,66 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0648 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,460 [MN]Mpl= 0,079 [MNm]Npl= 4,879 [MN]  > Npl,max=   2,318 [MN]

Np = Npl,max

0.1719.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* minimal displacementNu= 0,45 [MN]  ­ normal force,

x= 0,05141  [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,460 [MN]Mpl= 0,079 [MNm]Npl= 6,150 [MN]  > Npl,max=   2,318 [MN]

Np = Npl,max

0.1172.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

PILE: Ø219.1x12.5Case N[MN]  x [m] r [­]Maximal force 0,7847  ­0,0479  ­0,0153Maximal displacement 0,7  ­0,0568  ­0,0153Minimal displacement 0,49  0,04253 ­0,0145

I= 4,345E­05 [m4]A= 0,008113  [m2]Z= 0,0003966 [m3]

Page 69: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”60

* maximal forceNu= 0,7847 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0479 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,809 [MN]

Mpl= 0,114 [MNm]Npl= 9,522 [MN]  > Npl,max=   2,332 [MN]

Np = Npl,max

0.1306.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* maximal displacementNu= 0,7847 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0479 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,809 [MN]Mpl= 0,114 [MNm]Npl= 9,522 [MN]  > Npl,max=   2,332 [MN]

Np = Npl,max

0.1165.1 >=+p

u

cr

u

NN

NN

* minimal displacementNu= 0,7 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0568 [m]  ­ horizontal displacement,

Ncr= 0,809 [MN]Mpl= 0,114 [MNm]Npl= 8,030 [MN]  > Npl,max=   2,332 [MN]

Np = Npl,max

0.1815.0 <=+p

u

cr

u

NN

NN

2.5.2 Serviceability Limit State

][355 MPafWM

AN

yk =≤+=σ

x – given horizontal displacement [m],

xLEIP

EILP

x xx ⋅=⇒

⋅= 3

3 88 α

α

][0.1 −=α

Page 70: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”61

γ⋅⋅

=4

LPM x

x

0.1=γ [­] – for maximal bending moment, r – given rotational displacement [­],

rL

EIMEI

LMr rr

δδ =⇒=

Total bending moment:rx MMM +=

L – buckling length of the pile, defined as the depth below which the   displacements and bending moments at the pile head have little effect,

4 4hk

EIL ⋅=

PILE: X 200

Case N[MN]  x [m] r [­]Maximal force 0,6413  ­0,0589  ­0,016Maximal displacement  0,55  ­0,0675  ­0,0185Minimal displacement 0,47  ­0,0258  ­0,0094

I= 1,99E­05  [m4]A= 0,0111 [m2]W= 0,0002813 [m3]L= 2,860 [m]

* maximal forceNu= 0,6413 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0589 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,016 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,430Px= 0,0842186  [MN]

Mx= 0,0602103  [MNm]

EI/ L= 1,4616653Mr= 0,0233866  [MNm]

M= 0,0835969  [MNm]

][355][998.354 MPafMPaWM

AN

yk =≤=+=σ

* maximal momentNu= 0,55 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0675 [m]  ­ horizontal displacement,

Page 71: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”62

r= 0,0185 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,430Px= 0,0965154  [MN]

Mx= 0,0690016  [MNm]

EI/ L= 1,4616653Mr= 0,0270408  [MNm]

M= 0,0960424  [MNm]

][355][021.391 MPafMPaWM

AN

yk =>=+=σ

* minimal momentNu= 0,47 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0258 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,0094 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,430Px= 0,0368903  [MN]

Mx= 0,0263739  [MNm]EI/ L= 1,4616653

Mr= 0,0137397  [MNm]

M= 0,0401136  [MNm]

][355][963.184 MPafMPaWM

AN

yk =<=+=σ

PILE: X 180Case N[MN] x [m] r [­]Maximal force 0,7821  ­0,0601  ­0,016Maximal displacement  0,66  ­0,0648  ­0,0158Minimal displacement  0,45  0,05141  ­0,0099

I= 1,162E­05 [m4]A= 0,008064  [m2]W= 0,0001827 [m3]L= 2,500 [m]

* maximal forceNu= 0,7821 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0601 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,016 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,250Px= 0,0751157  [MN]

Page 72: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”63

Mx= 0,0469415  [MNm]

EI/ L= 1,6721846Mr= 0,026755  [MNm]

M= 0,0736965  [MNm]

][355][482.332 MPafMPaWM

AN

yk =>=+=σ

* maximal momentNu= 0,7 [MN]  ­ normal force,

x= 0,0568 [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,0153 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,738Px= 0,0987167  [MN]

Mx= 0,0857833  [MNm]

EI/ L= 2,6248037Mr= 0,0401595  [MNm]M= 0,1259428  [MNm]

][355][556.503 MPafMPaWM

AN

yk =>=+=σ

* minimal momentNu= 0,49 [MN]  ­ normal force

x= 0,04253  [m]  ­ horizontal displacement,r= 0,0145 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3= 1,738Px= 0,0739159  [MN]

Mx= 0,0642318  [MNm]

EI/ L= 2,6248037Mr= 0,0380597  [MNm]

M= 0,1022914  [MNm]

][355][531.328 MPafMPaWM

AN

yk =<=+=σ

PILE: Ø219.1x12.5Case N[MN]  x [m] r [­]Maximal force 0,7847  ­0,0479  ­0,0153Maximal displacement 0,7 ­0,0568  ­0,0153Minimal displacement  0,49  0,04253  ­0,0145

Page 73: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”64

I=4,345E­05  [m4]A=0,008113  [m2]W=0,0003966  [m3]L=3,476 [m]

* maximal forceNu=0,7847 [MN]  ­ normal force

x=0,0479 [m]  ­ horizontal displacement,r=0,0153 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3=1,738Px=0,0832488  [MN]

Mx=0,0723419  [MNm]

EI/ L=2,6248037Mr=0,0401595  [MNm]

M=0,1125014  [MNm]

][355][386.380 MPafMPaWM

AN

yk =>=+=σ

* maximal momentNu=0,7 [MN]  ­ normal force

x=0,0568 [m]  ­ horizontal displacement,r=0,0153 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3=1,738Px=0,0987167  [MN]

Mx=0,0857833  [MNm]

EI/ L=2,6248037Mr=0,0401595  [MNm]

M=0,1259428  [MNm]

][355][838.403 MPafMPaWM

AN

yk =>=+=σ

* minimal momentNu=0,49 [MN]  ­ normal force

x=0,04253  [m]  ­ horizontal displacement,r=0,0145 [­]  ­ rotation at the pile top,

8EI/ L3=1,738Px=0,0739159  [MN]

Page 74: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”65

Mx=0,0642318  [MNm]

EI/ L=2,6248037Mr=0,0380597  [MNm]

M=0,1022914  [MNm]

][355][319.318 MPafMPaWM

AN

yk =<=+=σ

2.6 COMPARISON OF STRESSED IN PILES (CASE INCLUDING CASTINGS) OBTAINED FROMCONTRAM RESULTS AND FROM THE SIMPLIFIED METHOD ( SERVICEABILITY LIMIT STATE).

F219.1x12.5 X 200 X 180Case Methods [MPa] s [MPa] s [MPa]

CONTRAM 1089,783 1197,300  1140,757Maximal force SM * 354,998 332,482 380,386

CONTRAM 1235,383 1253,813  1350,108Maximaldisplacement SM 391,021 503,556 403,838

CONTRAM 164,762 495,950 401,042Minimaldisplacement SM 184,963 328,351 318,319 * SM ­ simplified method

The table with results presented above shows that results obtained from two used methods focalculations of stresses in steel piles differ a lot. This may suggest that at least one of those methodsgives not very probable and reliable results.

Page 75: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II2. Initial calculations and stresses analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”66

Page 76: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”67

H

r

1

0

3.0 Actions to lower the stresses in piles

3.1 ELIMINATION OF HORIZONTAL DISPLACEMENTS INDUCED DURING CASTING.

It was shown in point 7.3.2 that  the big portions of displacements are caused during casting,when the beam is not very stiff. For cases with maximal force and maximal displacement the stressesexceed  the  acceptable  level.  The  elimination  of  those  displacements  can  be  done  during  bridgeerection  by  constructing  temporary  hinge  at  the  beam­abutment  connection  that  the  horizontaldisplacements  and  rotations  will  not  influence  the  abutment.  This  operation  can  allow  decreasingstresses  in piles.    In all stresses checking  the  calculations are done for both  cases: with and withoutdisplacements caused during casting.

3.2 LOWER THE HEIGHT OF ABUTMENT

Displacement at the pile top:Hr ⋅+∆=∆ 01

where:1 – displacement at the pile top [m],0 – displacement at the end of the girder [m],

r – rotation at the end of girder [­],H – height of the abutment [m],

The conclusion seems to be obvious that if the height of the abutment will be lower, the horizontaldisplacement at the pile top will be smaller and at the same time the stresses in pile will decrease.

3.3 USE A SOFTER  MATERIAL AT THE PILE TOP

The example how can stresses decrease with the softer material around the pile top is presented belowfor Pipe pile.

PILE Ø219.1x12.5

Assuming that until depth 2,0m the ground is less stiff (loose sand), the spring stiffness are following:][066.0][66 MPazkPazkh ⋅=⋅=

Node z[m]  kh[MN/m]

1 0 02 0,1 0,00663 0,2 0,01324 0,3 0,01985 0,4 0,02646 0,5 0,0337 0,6 0,03968 0,7 0,04629 0,8 0,0528

10 0,9 0,059411 1 0,066

Page 77: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”68

Node z [m]  kh[MN/m]

12 1,1 0,072613 1,2 0,079214 1,3 0,085815 1,4 0,092416 1,5 0,09917 1,6 0,105618 1,7 0,112219 1,8 0,118820 1,9 0,125421 2 0,132

Combination IV:A (Ultimate Limit State)

Acting force and displacements (extremal fof node 1):Node 1 Node 1

Case N [MN] x [m] r [­]Maximal force 0,7821  ­0,0601  ­0,016

Maximal displacement 0,66  ­0,0648  ­0,0158Minimal displacement 0,45  0,05141  ­0,0099

= 1 [­]

0= 1 [­]

NRd= 2,332488  [MN]

MRd= 0,114023  [MNm]

For weaker soil close to the pile top (with castings):Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7857  0,3398Maximal displacement 0,7012  0,3766Minimal displacement 0,4904  0,05616

Stresses in piles:

* maximal force

0.14511.4114.43371.0114.04690.0

3325.27862.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment`

0.15345.42342.43003.0114.0

4827.03325.27005.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* minimal bending moment

0.1629.04192.02102.01140.0

04779.03325.24904.0 10

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

Page 78: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”69

For weaker material (without castings):

Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal  force 0,785  0,1166Maximal displacement 0,7005  0,153

Stresses in piles:* maximal force

0.1359.1023.1337.0114.0

1166.03325.2785.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* maximal bending moment

0.1642.1342.13003.0114.0153.0

3325.27005.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Combination V:A

A= 0,008113  [m2]W= 0,0003966 [m3]

For weaker soil close to the pile top (with castings):Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7267  0,3417Maximal displacement 0,67 0,4106Minimal displacement 0,49  0,08951

Stresses in piles:* maximal force

][355145.951573.861572.8910966.3

3417.0008113.07267.0

4 MPaf yk =>=+=⋅

+=−

σ NOT OK

* maximal bending moment

][355884.1117300.1035584.8210966.3

4106.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

* minimal bending moment

][35509.286693.225397.6010966.3

08951.0008113.0

49.04 MPaf yk =<=+=

⋅+=

−σ OK

For weaker material close to the pile  top (without castings):

Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7267  01007Maximal displacement 0,67 0,1687

Page 79: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”70

Stresses in piles:

* maximal force

][355480.343908.253572.8910966.3

1007.0008113.07267.0

4 MPaf yk =<=+=⋅

+=−

σ OK

* maximal bending moment

][355950.507366.425584.8210966.3

1687.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

3.4 CONSTRUCTION OF A HINGE

Constructing  a  hinge  at  the  pile  top  we  can  also  decrease  stresses  in  the  pile,  rotations  do  notinfluence the abutment piles and do not cause additional bending moments.   The  example  how  the stresses  can change  when constructing  hinge are  shown on  the  example  ofpipe pile. Assuming hinged conditions at the pile top, the rotations acting on the pile top are not takenunder consideration.

PILE Ø219.1x12.5

Forces and displacements acting on the pile top (pile Ø219.1x12.5):

Combination IV:A (Ultimate Limit State)

Acting force and displacements (extremal fof node 1):Node 1 Node 1

Case N [MN] x [m] r [­]Maximal force 0,7821  ­0,0601 0

Maximal displacement 0,66  ­0,0648 0Minimal displacement 0,45  0,05141 0

= 1 [­]

0= 1 [­]

NRd= 2,332488  [MN]

MRd= 0,114023  [MNm]

For the hinge at the pile top (with castings):Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7849  0,0914Maximal displacement  0,7002  0,1065Minimal displacement  0,4906  0,0739

Stresses in piles:* maximal force

0.1139.1802.0337.0114.0

0914.03325.27849.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

Page 80: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”71

* maximal bending moment

0.1235.1934.03003.0114.01065.0

3325.27002.0 10

>=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

NOT OK

* minimal bending moment

0.1858.0648.02102.01140.00739.0

3325.24906.0 10

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

For the hinge at the pile top (without castings):

Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal  force 0,7848  0,0411Maximal displacement 0,7001  0,05671

Stresses in piles:* maximal force

0.1697.0361.0336.0114.00411.0

3325.27848.0 10

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

* maximal bending moment

0.1797.0497.0300.0114.0

05671.03325.27001.0 10

<=+=+

=+

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

γ

OK

Combination V:A

A= 0,008113  [m2]W= 0,0003966 [m3]

Extreme forces acting on the pile (for the node 1):Node 1 Node 1

[MN] N [MN] x [m] r [­]Maximal force 0,7241  ­0,0603 0

Maximal displacement 0,55  ­0,0659 0Minimal displacement 0,48  0,04663 0

For hinge at the pile top (with castings):Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7267  0,08529Maximal displacement 0,67 0,1083Minimal displacement 0,49  0,07856

Page 81: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II3. Actions to lower the stresses in piles

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”72

Stresses in piles:* maximal force

][355625.304053.215572.8910966.3

08529.0008113.07267.0

4 MPaf yk =<=+=⋅

+=−

σ OK

* maximal bending moment

][355655.355071.273584.8210966.3

1083.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

* minimal bending moment

][355481.258084.198397.6010966.3

07856.0008113.0

49.04 MPaf yk =<=+=

⋅+=

−σ OK

For the hinge at the pile top (without castings):

Force [MN]

Moment[MNm]

Maximal force 0,7267  0,03453Maximal displacement 0,67  0,05701

Stresses in piles:* maximal force

][355637.176065.87572.8910966.3

03453.0008113.07267.0

4 MPaf yk =<=+=⋅

+=−

σ OK

* maximal bending moment

][355331.226747.143584.8210966.3

05701.0008113.0

67.04 MPaf yk =>=+=

⋅+=

−σ NOT OK

Page 82: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”73

4.0 Analysis with program SOFiSTiK

4.1 NUMERICAL MODEL

To analyse considered construction with the help of program SOFiSTiK there has been done athree­dimensional  numerical  model.  This  model  was  used  to  realise  computations  with  the  use  ofFinite Element Method. The model consists of 6648 nodes 7498 elements and was analysed accordingto linear theory..

Used program enables also simulation of movement of traffic loads recommended for designpurposes by Swedish norm BRO 2004.

4.1.1 Types of elements used in MES analysis:§ QUAD – plane element, used to represent all the concrete elements of the bridge ( abutments

and deck)§ BEAM  –  beam  elements,  used  to  represent  elements  made  of  steel  (girders  and  foundation

piles).

Figure 38

Bridge model.

4.1.2 Elements not included and simplifications.

§ The  transverse  beams  at  the  middle  supports  were  just  modeled  as  steel  beams.  Theirgeometry  does  not  have  big  influence  on  the  structure,  but  their  presence  does,  to  assuresuitable stiffness of the whole structure.

§ The load from used and later taken off formwork was not included in a model because of lowmagnitude of its influence.

§ The loads from barriers were also not included for the same reason.

4.2 CALCULATIONS

4.2.1 Design assumptions.§ Materials and all the loads have been taken as for the calculations in program CONTRAM.§ The loads acting on the bridge were taken according to Swedish bridge norm BRO 2004 (as

for  calculations  in  program  CONTRAM).The  structure  was  modelled  as  in  original  projectwith a crossroads at the southern end of the bridge, thus the abutment at this end is wider. It

§ has  influence  on  the  whole  structure,  but  the  analysis  is  on  so­called  safe  side.  The  onlydifference  is  that  instead  of  temperature  gradients  considered  in  program  CONTRAM(temperature  differences  +10  and  –5  degrees)  there  have  been  considered  gradientsrecommended  by  Polish  norm  for  concrete  structures.  Considered  seasonal  temperaturechanges are +30 and –15 degrees.

Page 83: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”74

Figure 39

The view for the bridge deckgeometrl.

§ Concrete  deck was  modelled  as  a plate with  constant  thickness  taken  as mean  value  of  realdimensions equals 27 cm.

§ The soil surrounding piles was modelled with the use of spring supports with suitable stiffnesrepresenting soil response.

Figure 40

SOFiSTiK pile model.

§ The middle supports were defined as movable. The more detailed specification wasnot necesarry for the sake of thesis purposes.

§

Figure 41

Middle supports model.The soil behind the abutments (backfill)  was modelled with the use of series of spring

supports. Spring stiffnesses were assumed in the similar way as for springs representing soilaround the foundation piles.

Page 84: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”75

4.2.2 Calculations

The  model  is  three  dimensional,  so  demanded  more  detailed  geometical  data  than  2DCONTRAM model.

Similarly as for CONTRAM calculations there were taken into considerations three situations:maxinal axial load in pile and corresponding displacements (causing bending moments), and extremaldisplacements  with  corresponding  loads  (axial  forces  and  bending  moments).  All  the  values  weretaken for the tops of piles, where the piles are loaded in the most unfavourable way.The numbers of elements that are objects of an  intrest at the piles’ tops are visible on figures 42 and43.

Figure 42

Wide abutmentwith numbers of important elements.

Figure 43

Narrow  abutmentwith numbers of important elements..The  stresses  analysis  in  is  done  only  in  Ultimate  Limit  State.  The  main  purpose  of  thesecalculations is to compare results from using different models (flat and three dimentional) andbecause of different temperature loads to compare influences from this kind of load.

Page 85: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”76

PILE Ø219.1x12.5

0.11

≤+

=

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

α

NRd=2.3325 [MN] – axial force capacity of the pile,MRd=0.114 [MNm] – bending moment capacity of the pile,

Stresses in piles for the maximal axial forces in piles:(wide abutment)

max NSd corresp. MSd max minNumber of pile

Numberof element [MN] [MNm] [­] [MPa] [MPa]

1 60301 ­0,152 ­0,110 1,034  262,60  ­300,052 60201 ­0,301 ­0,110 1,098  244,48  ­318,643 60101 ­0,385 ­0,110 1,131  233,43  ­328,324 60001 ­0,500 ­0,005 0,257  222,75  ­345,955 60401 ­0,896 ­0,111 1,361  173,43  ­394,356 60501 ­1,009 ­0,110 1,400  156,60  ­405,417 60601 ­1,115 ­0,111 1,450  145,20 ­420,038 60701 ­0,571 0,111 0,727  ­353,46  212,72

(narrow abutment)max NSd corresp. MSd max minNumber

 of pileNumber

of element [MN] [MNm] [­] [MPa] [MPa]1 61701 ­0,459 0,302 2,450  ­818,040  705,0202 61601 ­0,921 ­0,309 3,104  665,940 ­892,8603 61501 ­0,853 ­0,309 3,073  673,680  ­884,0204 61401 ­0,775 ­0,308 3,037  682,640  ­873,7805 61001 ­0,503 ­0,307 2,912  723,920  ­837,9106 61101 ­0,425 ­0,307 2,877  722,840  ­837,6407 61201 ­0,358 ­0,307 2,846  730,550  ­818,7908 61301 ­0,179 ­0,299 2,701  733,040  ­777,240

On the basis of results presented above and knowing the characteristics of loads acting on thebridge  it  can  be  concluded  that  that  always  two  piles  are  subjected  to  the  mostly  disadvantageousloads. For this reason there is no point in presenting  results for all the piles.

Extremal stresses for  these piles  in both abutments for  the case with  extremal axial  force  inpile are presented on the Fig.44 (pile number 7 in the wider abutment­ on the left side of the figure 44and pile number 2 in the narrow abutment – on the right side of the figure).

Figure 44

Graphical illustration of extremal stresses in elements number 60601­ left and 61601 –right in the mostly loadedpiles for case with maximal axial force.

Page 86: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”77

It is worth mentioning that negative normal forces in the piles mean that the piles are compressed.

Maximal displacement: pile number 2 in narrow abutment (element number 61601)LC x [mm] r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1  1,504  1,227  ­0,253  ­0,047  0,521 87,51 ­149,92  0,481  0,404  ­0,082  ­0,014  0,161 26,08 ­46,29

200 2,066  1,006  ­0,352  ­0,023  0,353 17,59 ­104,36301 0,05  ­3,062  ­0,009  ­0,034  0,305 85,53 ­87,63501 0,037  ­1,357  ­0,006  ­0,233  2,045  386,38  ­587,94

4,138  ­1,782  ­0,702  ­0,3516  3,3854  603,09  ­976,12

Minimal displacement: pile number 7 in wider abutment (element number 60601)LC x [mm] r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1  2,164  ­2,35  ­0,365  0,062  0,699  ­200,98 110,92  0,791  ­0,558  ­0,135  0,016  0,196  ­57,12 23,91

101 2,104  ­1,129  ­0,359  0,024  0,368  ­108,56 20,18301 0,057  1,418  ­0,010  0,041  0,361  ­104,05  101,64

5,116  ­2,619  ­0,868  0,14267 1,6238  ­470,71  256,63

Below the tables the values of particular displacements, forces and stresses are summed.

Explanation of LC(load cases):§ 1 – own weight of the bridge,§ 2 – traffic load, the part equally distributed,§ 101,200 – trucks (cases the mostly disadvantegous for particular abutments),§ 301 – temperature load,§ 501 – earth pressure load.

The  results  of  extremal  stresses  in  piles  for  cases  with  maximal  and  minimal  displacement  arepresented  only  for  two  piles.  Analysed  structure  is  unsymetrical,  which  means  that  one  of  theabutments is wider than the other, so the bridge has a tendency to move in one direction. Analysis ofall the loads acting on the bridge showed that assumed tendency is probable, so the results presented inmentioned way are sufficient for purposes of this work.

The result of analysis:§ the  extremal stresses  in  the pile (wide abutment) in  the case when  loads combination causes

extremal axial force are –892,860 MPa§ the  extremal  stresses  in  the  pile  in  the  case  when  loads  combination  causes  extremal

displacement at the pile top are –976,12 MPa

PILE X 200

0.12

≤+

=

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

α

NRd=3.191 [MN] – axial force capacity of the pile,MRd=0.122 [MNm] – bending moment capacity of the pile,

Page 87: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”78

Stresses and forces in piles for the maximal axial forces in piles:

Element number 60601:N = ­1,1737 MNM = ­0,08313 MNm

1 = 257,71 MPa2 = ­469,19 MPa

Element number 61601:N = ­0,9585 MNM = ­0,223 MNm

1 = 828,44 MPa2 = ­1001,13 MPa

Minimal displacement: pile number 7 in wider abutment (element number 60601)LC  x [mm] r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1 1,639  ­2,58  ­0,378  0,041  0,350  ­200,22  132,162 0,612  ­0,615  ­0,143  ­0,104  0,858 ­60,8 35,09

101  1,623  ­1,219  ­0,378  ­0,016  0,146  ­112,25 44,1301  0,038  1,277  ­0,009  0,030  0,244  ­126,65  119,04

3,912  ­3,137  ­0,9076 ­0,0497  1,598  ­499,92  330,39

Maximal displacement: pile number 2 in narrow abutment (element number 61601)LC  x [mm] r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1 1,133  1,465  ­0,260  ­0,033  0,276  107,62  ­154,432 0,367  0,472  ­0,086  ­0,010  0,082 34,09 ­49,52

200  1,593  1,111  ­0,371  ­0,016  0,143 43,05 ­109,96301  0,036  ­2,895  ­0,009  ­0,028  0,227  111,13  ­112,66501  0,009  ­0,536  ­0,002  ­0,223  1,828  681,81 ­682,2

3,138  ­0,383  ­0,7274 ­0,3092  2,56 977,7  ­1108,77

Figure 45

Graphical illustration of extremal stresses in elements number 60601­ left and 61601 –right in the mostly loadedpiles for case with maximal axial force.

Page 88: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”79

The result of analysis:§ the  extremal stresses  in  the pile (wide abutment) in  the case when  loads combination causes

extremal axial force are –1001,13 MPa§ the  extremal  stresses  in  the  pile  in  the  case  when  loads  combination  causes  extremal

displacement at the pile top are –1108,77 MPa

PILE X 180

0.12

≤+

=

Rd

Sd

Rd

Sd

MM

NN

α

NRd=2.318 [MN] – axial force capacity of the pile,MRd=0.079 [MNm] – bending moment capacity of the pile,

Stresses and forces in piles for the maximal axial forces in piles:Element number 60601:N = ­1,1499 MNM = ­0,06623 MNm

1 = 308,88 MPa2 = ­594,07 MPa

Element number 61601:N = ­0,936 MNM = ­0,1721 MNm

1 = 970,28 MPa2 = ­1202,42 MPa

Figure 46

Graphical illustration of extremal stresses in elements number 60601­ left and 61601 –right in the mostly loadedpiles for case with maximal axial force.

Minimal displacement: pile number 7 in wider abutment (element number 60601)LC  x [mm]  r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1 2,2 ­2,696  ­0,369  0,030  0,403  ­231,42 139,82 0,822  ­0,646  ­0,139  0,008  0,100  ­73,21 38,68

101  2,183  ­1,259  ­0,370  0,012  0,173  ­137,8 46,13301  0,047  1,185  ­0,008  0,023  0,292  ­143,2 141,23

5,252  ­3,416  ­0,886  0,072  0,9682  ­585,63  365,84

Page 89: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”80

Maximal displacement: pile number 2 in narrow abutment (element number 61601)LC  x [mm]  r [mrad] N M 1 [MPa]  2 [MPa]1 1,522  1,605  ­0,255  ­0,025  0,324  118,71  ­181,852 0,495  0,513  ­0,084  ­0,007  0,095  38,34 ­59,14

200  2,147  1,164  ­0,008  ­0,012  0,147  46,88 ­137,07301  0,046  ­2,775  ­0,364  ­0,023  0,312  139,14  ­141,07501  0,011  ­0,216  ­0,008  0,001  0,008  812,93 ­812,7

4,221  0,291  ­0,718  ­0,066  0,8866  1156  ­1331,83

The result of analysis:§ the  extremal stresses  in  the pile (wide abutment) in  the case when  loads combination causes

extremal axial force are –1202,42 MPa§ the  extremal  stresses  in  the  pile  in  the  case  when  loads  combination  causes  extremal

displacement at the pile top are –1331,83 MPa

Page 90: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II5. Summary and conclusions

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”81

5.0  SUMMARY AND CONCLUSIONS

Summary of the results:The Ultimate Limit State is checked according to following equation: ( ) ( ) αγ =+ RdSdRdSd MMNN // ,where   should fulfil a condition that 0.1≤α .

In the table presented below given are values of   for particular considered cases  in analysis of steelpipe pile (Ø219.1x12.5).

Case Maximal axialforce

Maximaldisplacement

Minimaldisplacement

CONTRAM ­ with castings 5,422 5,568 0,808 ­ without castings 3,061 3,231  ­Softer  soil around pile top(CONTRAM) ­ with castings 4,451 4,535 0,629 ­ without castings 1,359 1,642  ­Hinge at the pile top(CONTRAM) ­ with castings 0,907 1,013  ­ ­ without castings 0,697 0,797  ­Simplified method (SM) 1,306 1,165 0,815SOFiSTiK 3,104 3,385 1,624

General conclusion from piles analysis is that from all considered cases the highest stresses wereobtained for a case when loads combination gives maximal displacement at the pile top.

For  the  analysis  in  swedish  program  CONTRAM  there  were  used  data  from  earlier  analysis  ofbridge over Dalälven when it was designed as a traditional structure. The designer assumed the orderof  deck  castings  that  could  have  a  very  disadventageous  influence  on  the  integral  structure.  Thisinfluence  does  not  have  to  be  considered  in  this  analysis,  because  it  can  be  eliminated  in  erectionprocess. However  the first analysis assumed mentioned castings order,  thus all  the calculations werealso done without including displacements induced during deck castings.

In  most of  obtained  results  in CONTRAM analysis,  calculations  with  simplified  method and  inanalysis done in a program SOFiSTiK the stresses in piles are over acceptable level. From this fact itcould  probably  concluded  that  the  piles  used  to  support  the  bridge  foundations  are  not  numerousenough, have not suitable cross­section or assumed material  is not resistant enough. It is noteworthythat in most of cases the axial load carrying capacity of the piles is not exceeded. Very high stresses inpiles are caused by bending moments induced by horizontal displacements at the piles’ tops.

However  one of purposes of  this  thesis was  to  examine possible kind of  technological solutionsthat can be applied to decrease stresses in Piles supporting integral bridges.

Firstly decreasing of stresses in piles can be obtained by using softer soil close to the pile top(actions  described  in point 2.6  ,  for  instance:  sleeves  filled  with  sand or pre­bored  holes  filled  withgranular material), as shown in point 4.3 in part II.

Another way to  lower stressed  in piles  is  to use piles  with hinged  conditions at  the top. Thecalculation  example  is  presented  in  point  3.3  in  part  II  and  shows  that  this  action  can  significantlydecrease  the  stresses  in piles.  On  the  other  hand  this option  demands  constructing  the  hinge,  whichincreases the costs of building.

In  case  of  considered  piles  it  is  noteworthy  that  the  piles  cross­sections  are  in  class  one(according to Swedish norm) and there is possible distribution of stresses (bending moments). The lastoption that can be taken into consideration is to use the higher strength steel for piles.

Page 91: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”82

One of the aims of  researshers dealing with analysing and designing integral bridges is to findrelatively simple, convinceing and efficient method.

Page 92: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

References

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”83

REFERENCE

[1]Duncan  J.M.,  Arsoy  S.: Effect  of  bridge­soil  interaction  on  behaviour  of  Piles  supportingIntegral Bridges. Transportation Research Record 1849, Paper no. 03­2633

[2] Integral  abutments  for  steel  bridges.  Vol.II,  Chap.  5.  Highways  Structure  Design  Handbook(American Iron and Steel Institute,1996)

[3] R.Jajaraman, PB Merz and MvLellan Pte Ltd  :Integral Bridge Concept Applied to Rehabilitatean existing bridge and construct a dual­use bridge. Singapore

[4] Horvath  John  S.: Integral­abutment  bridges:  geotechnical  problems  and  solutions  usinggeosynthetics and ground improvement. Conference article, march 2005

[5] Ho owaty  Janusz  : O  mo liwo ciach  zwi kszenia  trwa ci  ma ych  mostów  na  etapieprojektowania.  V  Krajowa  Konferencja  Naukowo­Techniczna:  Problemy  projektowania,budowy oraz utrzymania mostów ma ych i  rednich rozpi to ci, Wroc aw, December 2004

[6] Trochymiak W., Dobrowolski L., Jarominiak W., Szurowski T., PROFIL Sp. z o.o., Warszawa :O projekcie integralnego, sko nego,  elbetowego wiaduktu drogowego.

[7]Arsoy  Sami  : Experimental  and  analytical  investigations  of  piles  and  abutments  of  integralbridges. PhD Diploma, date of defence: 15­12­2000

[8] Petursson Hans, Collin Peter : Composite Bridges with Integral Abutments Minimizing LifetimeCosts. IABSE Symposium Melbourne 2002

[9] Wolde­Tinsae  A.M.,  Greimann  D.M.,  Young,  P.S.: Skewed  bridges  with  integral  abutments.Transportation  Research  Record  903;  TRB,  National  Research  Council,  WashingtonD.C.;1983; pp.64­72

[10] Dicleli M., Ph.D., P.Eng., M. ASCE; Suhali M. Albhais: Maximum length of integral bridgesbased on the performance of steel H­piles at the abutments.

[11] Dicleli M., Albhaisi S. M.: Performance of abutment­backfill system under thermal variationsin integral bridges built on clay. Department of Civil Engineering and Construction, BradleyUniversity

[12] Diceli M.: Simplified model for computer­aided analysis of integral bridges. ASCE, Journal ofBridge Engineering 5 3 (2000), pp. 240­248

[13] Khodair Yasser A.; Hassiotis Sophia  : Analysis of pile  soil  interaction. Department  of Civil,Environmental and Ocean Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, N.I.

[14] NJDOT Design Manual for Bridges and Structures, Section 15: Integral Abutment Bridges.[15] Wolde­Tensae, A., Klinger, J. : Integral Abutment Bridge Design and Construction.University

of Maryland, FHWA/MD – 87/07[16] Sami Arsoy, Baker Richard M. Ph.D., Duncan J. Michael Ph.D., The Charles E. Via,Jr. : The

behaviour  of  integral  abutment  bridges. (  The  final  contract  report),  VIRGINIATRANSPORTATION RESEARCH COUNCIL, Nov. 1999

[17] Dicleli Murat, Albhaisi Suhail M.: Effect of cyclic thermal loading on the performance of steelH­piles  in  integral  bridges  with  stub­abutments.  Journal  of  Constructional  Steel  Research,Nov. 2003

[18] Hickman R., P.: Bridge Construction and Maintenance in The United Kingdom. An Over­View“Prace  IBDiM,  nr  3­4,  1999;  Sundquist  H.,  Recutanu  G.:  Swedish  Experiences  of  IntegralBridges. IABSE Symposium – Rio de Janeiro, August 25­27, 1997.

[19] Zobel  Henryk  : Naturalne  zjawiska  termiczne  w  mostach.  Wydawnictwa  Komunikacji  Iczno ci,2003, ISBN:83­206­1505­4

[20] Xanthakos Petros P. : Bridge Superstructure and Foundation Design. Prentice Hall PRT, NewJersey,1995, ISBN: 0­13­300617­4

[21] Pètursson Hans, Collin Peter: Swedish solutions for integral abutments.[22] Earl E. Ingram, Edwin G. Brudette, David W. Goodpasture, J. Harold Deatherage, and Richard

M. Bennett: Behavior of steel H­piles supporting integral abutments.[23] Pètursson Hans: Broar med integrerade landfästen. Thesis 2000[24] Sundquist, H., Racutanu, G., Swedish Experiences  for  Integral Bridges. Proc.  IABSE Symp.

STRUCTURES  FOR  THE  FUTURE  –  THE  SEARCH  FOR  QUALITY.  Rio  de  Janeiro,1999, s. 50­51

Page 93: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

PART II4. SOFiSTiK analysis

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”84

[25] Prakash  S.,  Sharma  H.D.:Pile  Foundations  in  Engineering  Practice.  A  Wiley­IntersciencePublikation, 1999, USA, ISBN: 0­471­61653­2

[26] Poulous H. D., Davis E. H.  : Pile Foundation Analysis and Design.  John Wiley & Sons Inc.,ISBN 0­471­02084

[27] Kurman S., Lalvani L: Lateral Load­Deflection Response of Drilled Shafts  in Sand. SouthernIllinois University­Carbondale, Carbondale, IL, USA, June 2002

[28] Greimann L., Wolde­Tinsae A. M.: Design Model for Piles in Jointless Bridges.1988, Journalof Constructional Engineerig, Vol. 114, No 6, pp. 1354­1371, ISSN 0733­9445/88/0006­1345

[29] BRO 2004[30] Timoshenko  S.  : Strength  of  materials,  Part  II:  Advanced  Theory  and  Problems,  1958,Van

Nostrand Reihnold Company Ltd., Toronto Melbourne

Page 94: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”85

A. APPENDIX

Calculations of forces and displacements acting on  particular foundationpiles.

General load acting on tha whole abutment can be treated as a vertical force acting with eccentricity, because of traffic loads.

V

Oe

To calculate forces acting on particular abutment piles there have been considered two separate cases: vertical  force acting in thecentre of gravity of the abutment and bending moment acting at the same point.

O

MV

O

Vertical force acting in the centre of gravity influences equally all the piles, so the froce in each pile can be caqlculated with the use ofsimple formula:

nVVPi =)(

where:P(V) – force acting on the single pile;i ­  number of the pile,V – vertical force acting on the whole abutment,n – number of piles.

Forces in particular piles from bending moment acting on the abutment can be calculated according to following formula:

∑⋅

= 2)(xxM

MP ii

where:P(M) – force acting on the single pile;M – bending moment acting on the whole abutment,xi ­ distance of the pile axis from the centre of gravity (as shown on the figure below).

Page 95: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”86

P 7

x2

x3

P 4P 3P 2

x7

x6

x5

P 5x4 P 6

M

O

P 1

P 8

x 1

x8

For all three types of piles the calculations are done in the same way, so only for one type of piles (X 200) the full calculations arepresented.   For  two  remaining pile  types  there are  only  presented  forces and  displacements acting  on  the  whole  abutment  (obtained  fromCONTRAM) and final forces in particular piles.

CALCULATIONS OF FORCES AND DISPLACEMENTS ACTING ON PARTICULAR ABUTMENTPILES. PILE X200.

MAXIMAL FORCEFor this case the traffic load is considered as a dominant load.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,52 ­0,003188 ­0,0013 0,00459 0,0013

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,112 ­0,031 ­0,0156 0,031 0,00195

Case 3 Casting­ stage 2 0,32 0,229 0,0163 3,49E­03 ­0,0163 ­0,00573Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00991 0,000679 0,000135 ­0,000679 ­0,00025Case 5 Casting­ stage 4 ­0,127 ­1,21 ­0,0258 ­0,0009 0,0258 0,0137Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00939 0,000507 0,00017 ­0,000507 ­0,000117Case 7  Earth pressure ­0,157 ­0,157 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298

Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161 ­0,000459 0,00161 0,000451Case 22  Pavement ­0,341 ­0,337 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,201 0,203 0,00693 ­0,0028 ­0,00693 0,00278Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000751 ­0,000211 0,000751 0,000211Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656 ­0,0656 0,0015 0,000422 ­0,0015 ­0,000422Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,207 0,208 0,00505 0,000147 ­0,00505 ­0,00016Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,207 ­0,208 ­0,00505 ­0,000147 0,00505 0,00016

Case Traffic load ­1,3439 ­0,42072 ­0,006611 ­0,002299 0,006382 0,0020754

Node 1 Node 10Traffic load ­ resultsx [m] Fz [MN] r [­] x [m] Fz [MN] r [­]

NK 1 ­0,005748 ­0,5751 ­0,002916 ­0,003969 0,1389 ­0,001114NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,002046 0,07175 0,0005757Max Fx

­0,010488 ­0,903 ­0,00425 ­0,001923 0,21065 ­0,0005383NK 1 0,003969 0,1395 0,00112 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fx

0,006015 0,21125 0,0016957 0,002694 ­0,25614 0,0007581

Page 96: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”87

Node 1 Node 10Traffic load ­ resultsx [m] Fz [MN] r [­] x [m] Fz [MN] r [­]

NK 1 0,003793 0,1467 0,001184 ­0,003793 0,1467 ­0,001184NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759Max Fz

0,005839 0,21845 0,0017597 ­0,005839 0,21846 ­0,0017599NK 1 ­0,001871 ­1,016 ­0,0009656 0,001642 ­0,09282 0,0007414NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fz

­0,006611 ­1,3439 ­0,0022996 0,006382 ­0,42072 0,0020754

Loads combinations:

Combination IV:A

Combination V:ALoads coefficients Loads Combination loads

Long term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,05 0,95 ­2,7261 ­2,7087 ­2,862405 ­2,844135pavement 1,15 0,8 0,201 ­0,337 0,23115 ­0,38755earth prerssure 1,1 0,9 ­0,116 ­0,157 ­0,1276 ­0,1727shrinkage 1,0 0,0 0,0329 0,203 0 0castings 1,05 0,95 ­1,0901 ­1,0737 ­1,144605 ­1,127385Variable loads:traffic 1,0 0,0 ­1,3439 ­0,42072 ­1,3439 ­0,42072temperature gradient 0,6 0,0 ­0,207 ­0,208 ­0,1242 ­0,1248

Calculation of forces acting on piles:

1) Case with three line loadsV= 545,385 [kN]M= 1195,319  [kNm]

e= 2,19 [m] ( eccentricity concerns traffic load)

Figure 47Sketch for forces in piles calculations (three line loads)

Loads coefficients Loads Combination loadsLong term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,0 0,9 ­2,7261 ­2,7087 ­2,7261 ­2,7087pavement 0,9 0,8 ­0,341 ­0,337 ­0,3069 ­0,3033earth prerssure 1,1 0,9 ­0,116 ­0,157 ­0,1276 ­0,1727shrinkage 1,0 0,0 0,0329 0,203 0 0castings 1,0 0,9 ­1,0901 ­1,0737 ­1,0901 ­1,0737Variable loads:traffic 1,5 0,7 ­1,3439 ­0,42072 ­2,01585 ­0,63108temperature gradient 1,5 0,6 ­0,207 ­0,208 ­0,1242 ­0,1248

100005600

3 kN/m2

A

RA

500 2000

4 kN/m2

RB

B

2 kN/m2

170 kN250 kN

1000 2000

Page 97: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”88

NODE 1 Combination VI:A Combination V:AForces in piles:1) from dead loads

VLT= 3160,6 [kN] VLT= 2758,855 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 395,075 [kN] P= 344,857 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 124,8 [kN] VT= 124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 15,6 [kN] PT= 15,6 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 410,675 [kN] P(V)= 360,457 [kN]

5) from trafficSuperposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 2015,85 [kN] Vp= 1343,9 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 251,9813  [kN] Pp= 167,9875 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,000Pile 2 3,6 12,96 91,595Pile 3 2,7 7,29 68,696Pile 4 1,8 3,24 45,798Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,798Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,696Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,595Pile8 0 0

46,98

0,000

Forces in piles:Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 423,31 259,74 0,00 683,052 423,31 259,74 91,60 774,653 410,68 251,98 68,70 731,354 410,68 251,98 45,80 708,455 410,68 251,98 ­45,80 616,866 410,68 251,98 ­68,70 593,967 423,31 259,74 ­91,60 591,468 423,31 259,74 0,00 683,05

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 371,55 173,16 0,00 544,712 371,55 173,16 91,60 636,303 360,46 167,99 68,70 597,144 360,46 167,99 45,80 574,245 360,46 167,99 ­45,80 482,656 360,46 167,99 ­68,70 459,757 371,55 173,16 ­91,60 453,118 371,55 173,16 0,00 544,71

Page 98: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”89

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3184,7 [kN] VLT= 3404,385 [kN]n= 8 [­] n= 8,000 [­]P= 398,088 [kN] P= 425,548 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 124,8 [kN] VT= 124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 15,6 [kN] PT= 15,6 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 413,688 [kN] P(V)= 441,148 [kN]

4) from traffic

Superposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 631,08 [kN] Vp= 420,72 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 78,885 [kN] Pp= 52,590 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 91,60Pile 3 2,7 7,29 68,70Pile 4 1,8 3,24 45,80Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,80Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,70Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,60Pile8 0 0

46,98

0,00

Forces in piles:Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 426,42 81,31 0,00 507,732 426,42 81,31 91,60 599,333 413,69 78,89 68,70 561,274 413,69 78,89 45,80 538,375 413,69 78,89 ­45,80 446,776 413,69 78,89 ­68,70 423,887 426,42 81,31 ­91,60 416,148 426,42 81,31 0,00 507,73

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 454,73 54,21 0,00 508,932 454,73 54,21 91,60 600,533 441,15 52,59 68,70 562,434 441,15 52,59 45,80 539,545 441,15 52,59 ­45,80 447,946 441,15 52,59 ­68,70 425,04

Page 99: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”90

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

7 454,73 54,21 ­91,60 417,348 454,73 54,21 0,00 508,93

2) Case with two line loadsV= 518,124 [kN]M= 1261,057 [kNm]e= 2,43 [m]  ­ eccentricity from traffic load,

170 kN

3 kN/m2

560010000RA

2000500

4 kN/m2

A

250 kN

RB

B

1000 2000

Figure 48

Sketch for forces in piles calculations (two line loads)

NODE 1Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3160,6 [kN] VLT= 2758,855 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 395,075 [kN] P= 344,857 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 124,2 [kN] VT= 124,2 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 15,525 [kN] PT= 15,525 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 410,600 [kN] P(V)= 360,382 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 2015,85 [kN] Vp= 1343,9 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 251,9813  [kN] Pp= 167,9875 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1261,057 [kNm]

Page 100: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”91

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29 72,47Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0

Forces in pilesCombination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 423,24 259,74 0,00 682,972 423,24 259,74 96,63 779,613 410,60 251,98 72,47 735,064 410,60 251,98 48,32 710,905 410,60 251,98 ­48,32 614,266 410,60 251,98 ­72,47 590,117 423,24 259,74 ­96,63 586,348 423,24 259,74 0,00 682,97

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 371,47 173,16 0,00 544,632 371,47 173,16 96,63 641,263 360,38 167,99 72,47 600,844 360,38 167,99 48,32 576,695 360,38 167,99 ­48,32 480,056 360,38 167,99 ­72,47 455,897 371,47 173,16 ­96,63 448,008 371,47 173,16 0,00 544,63

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3184,7 [kN] VLT= 3404,385 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 398,088 [kN] P= 425,548 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 124,8 [kN] VT= 124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 15,6 [kN] PT= 15,6 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 413,688 [kN] P(V)= 441,148 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 631,08 [kN] Vp= 420,72 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 78,885 [kN] Pp= 52,590 [kN]II) bending moment induced by traffic load M= 1 261,057 [kNm]

Page 101: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”92

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29 72,47Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0,00

Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 426,42 81,31 0,00 507,732 426,42 81,31 96,63 604,363 413,69 78,89 72,47 565,054 413,69 78,89 48,32 540,895 413,69 78,89 ­48,32 444,266 413,69 78,89 ­72,47 420,107 426,42 81,31 ­96,63 411,108 426,42 81,31 0,00 507,73

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 454,73 54,21 0,00 508,932 454,73 54,21 96,63 605,573 441,15 52,59 72,47 566,214 441,15 52,59 48,32 542,055 441,15 52,59 ­48,32 445,426 441,15 52,59 ­72,47 421,267 454,73 54,21 ­96,63 412,308 454,73 54,21 0,00 508,93

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 683,050 682,973 507,732 507,7322 774,646 779,606 599,327 604,3653 731,353 735,056 561,269 565,0474 708,454 710,898 538,370 540,8895 616,859 614,265 446,775 444,2566 593,960 590,107 423,876 420,0987 591,455 586,340 416,137 411,0998 683,050 682,973 507,732 507,732

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 544,708 544,631 508,934 508,9342 636,303 641,263 600,529 605,5663 597,141 600,844 562,435 566,2134 574,242 576,686 539,536 542,0545 482,647 480,053 447,940 445,422

Node 1 Node 10

Page 102: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”93

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

6 459,748 455,895 425,042 421,2647 453,113 447,998 417,338 412,3018 544,708 544,631 508,934 508,934

DISPLACEMENTS CORRESPONDING WITH MAXIMAL FORCES IN PILES

Displacements combinations corresponding with loads:

Combination IV:ADisplacements [m] Displacements from loads combination

Loads coefficients Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Long term loads: max min  Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal  Rotational  Horizontal Rotationalown weight 1,0 0,9 ­0,0441115  ­1,45E­02  0,045514  0,011304  ­0,0441115 ­0,014464  0,045514  0,011304pavement 0,9 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,004239  ­0,001215  0,004239  0,001188earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298  0,02728 0,003289  ­0,02728  ­0,003278shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278 0 0 0 0castings 1,0 0,9 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553Variable loads:traffic 1,5 0,7 ­0,006611  ­0,0022996  0,006382  0,0020754 ­0,0099165 ­0,0034494  0,009573  0,0031131temperature gradient 1,5 0,6 ­0,00505  ­0,000147  0,00505 0,00016  ­0,00303  ­0,0000882  0,00303  0,000096

Displacements ­0,061297 ­0,0192166 0,062356 0,0157011

Combination V:ADisplacements from loads combination Displacements from loads combination

Loads coefficients Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Long term loads: max min  Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal Rotational  Horizontal Rotationalown weight 1,05 0,95 ­0,0441115  ­0,014464  0,045514  0,011304  ­0,046317  ­0,0151872 0,0477897 0,0118692pavement 1,15 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,005417  ­0,0015525 0,0054165 0,001518earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298  0,02728  0,003289  ­0,02728  ­0,003278shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278 0 0 0 0castings 1,05 0,95 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,04128  ­0,0133403 0,0412797 0,0100307Variable loads:traffic 1,0 0,0 ­0,006611  ­0,0022996 0,006382  0,0020754 ­0,006611  ­0,0022996 0,006382  0,0020754temperature gradient 0,6 0,0 ­0,00505 ­0,000147  0,00505 0,00016  ­0,00303  ­0,0000882 0,00303  0,000096

Displacements ­0,061375  ­0,0191275 0,0626182 0,0155586

Temperature induced displacement:Tmin= ­35  [ºC]Tmax= 40  [ºC]

Temperature gradient:T= 75  [ºC]

Length of half of the bridge:          L = 62  [m]

Temperature coefficient (for steel and concrete):

t= 0,00001 [1/ºC]

Tmax= 37,5 [ºC]

maxTtt L ∆⋅⋅=∆ α

t,max= 0,02325  [m]

Page 103: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”94

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,084547  0,085606

pCONTRAM  0,02728 ­0,02728

p 0,02569 ­0,02569 [m] ­0,05886 0,05992

r [­] ­0,01603 0,01261

Combination V:ANode 1 Node 10

calc ­0,0846246  0,0858682

pCONTRAM  0,02728 ­0,02728

p 0,02569 ­0,02569 [m] ­0,05894 0,06018

r [­] ­0,01603 0,01247

MAXIMAL DISPLACEMENTFor this case temperature loads are dominant.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,52 ­0,0031875 ­0,0013 0,00459 0,0013

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,112 ­0,031 ­0,0156 0,031 0,00195

Case 3 Casting­ stage 2 0,32 0,229 0,0163 3,49E­03 ­0,0163 ­0,00573Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00991 0,000679 0,000135 ­0,000679 ­0,00025Case 5 Casting­ stage 4 ­0,127 ­1,21 ­0,0258 ­0,0009 0,0258 0,0137Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00939 0,000507 0,00017 ­0,000507 ­0,000117Case 7  Earth pressure ­0,157 ­0,157 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298

Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161 ­0,000459 0,00161 0,000451Case 22  Pavement ­0,341 ­0,337 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,201 0,203 0,00693 ­0,0028 ­0,00693 0,00278Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000751 ­0,000211 0,000751 0,000211Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656 ­0,0656 0,0015 0,000422 ­0,0015 ­0,000422Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,207 0,208 0,00505 0,000147 ­0,00505 ­0,00016Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,207 ­0,208 ­0,00505 ­0,000147 0,00505 0,00016

Case Traffic load ­0,903 ­0,42072 ­0,010488 ­0,00425 0,006382 0,0020754

Node 1 Node 10Traffic load ­ resultsx Fz r x Fz r

NK 1 ­0,005748 ­0,5751 ­0,002916 ­0,003969 0,1389 ­0,001114NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,002046 0,07175 0,0005757Max Fx

­0,010488 ­0,903 ­0,00425 ­0,001923 0,21065 ­0,0005383NK 1 0,003969 0,1395 0,00112 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fx

0,006015 0,21125 0,0016957 0,002694 ­0,25614 0,0007581NK 1 0,003793 0,1467 0,001184 ­0,003793 0,1467 ­0,001184NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759Max Fz

0,005839 0,21845 0,0017597 ­0,005839 0,21846 ­0,0017599NK 1 ­0,001871 ­1,016 ­0,0009656 0,001642 ­0,09282 0,0007414NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fz

­0,006611 ­1,3439 ­0,0022996 0,006382 ­0,42072 0,0020754

Page 104: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”95

Loads combinations:

Combination IV:ALoads coefficients: Loads Combination loads

Long term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,0 0,9 ­2,7261 ­2,7087 ­2,7261 ­2,7087pavement 0,9 0,8 ­0,341 ­0,337 ­0,3069 ­0,3033earth pressure 1,1 0,9 ­0,157 ­0,157 ­0,1413 ­0,1413shrinkage 1,0 0,0 0,201 0,203 0 0castings 1,0 0,9 ­1,0901 ­1,0737 ­1,0901 ­1,0737traffic 1,5 0,7 ­0,903 ­0,42072 ­0,6321 ­0,294504temperature gradient 1,5 0,6 ­0,207 ­0,208 ­0,3105 ­0,312

Combination V:ALoads coefficients: Loads Combination loads

Long term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,05 0,95 ­2,7261 ­2,7087 ­2,862405 ­2,844135pavement 1,15 0,8 ­0,341 ­0,337 ­0,39215 ­0,38755earth pressure 1,1 0,9 ­0,157 ­0,157 ­0,1413 ­0,1413shrinkage 1,0 0,0 0,201 0,203 0 0castings 1,05 0,95 ­1,0901 ­1,0737 ­1,144605 ­1,127385Variable loads:traffic 1,0 0,0 ­0,903 ­0,42072 0 0temperature gradient 0,6 0,0 ­0,207 ­0,208 ­0,1242 ­0,1248

Calculation of forces acting on piles:1) Case with three line loads (illustration in case with maximal force)

V= 545,385 [kN]M= 1195,319  [kNm]e= 2,19 [m]

NODE 1 Combination VI:A Combination V:AForces in piles:1) from dead loads

VLT= 3174,3 [kN] VLT= 3395,855 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 396,7875 [kN] P= 424,482 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 310,5 [kN] VT= 124,2 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 38,8125 [kN] PT= 15,525 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 435,600 [kN] P(V)= 440,007 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:

I) vertical load from traffic applied at the centre of gravityVp= 632,1 [kN] Vp= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]Pp= 79,0125 [kN] Pp= 0 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

Page 105: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”96

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,000Pile 2 3,6 12,96 91,595Pile 3 2,7 7,29 68,696Pile 4 1,8 3,24 45,798Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,798Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,696Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,595Pile8 0 0

46,98

0,000

Forces in piles:Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 449,01 81,44 0,00 530,452 449,01 81,44 91,60 622,053 435,60 79,01 68,70 583,314 435,60 79,01 45,80 560,415 435,60 79,01 ­45,80 468,816 435,60 79,01 ­68,70 445,927 449,01 81,44 ­91,60 438,868 449,01 81,44 0,00 530,45

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 453,55 0,00 0,00 453,552 453,55 0,00 91,60 545,143 440,01 0,00 68,70 508,704 440,01 0,00 45,80 485,805 440,01 0,00 ­45,80 394,216 440,01 0,00 ­68,70 371,317 453,55 0,00 ­91,60 361,958 453,55 0,00 0,00 453,55

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3153,3 [kN] VLT= 3372,985 [kN]n= 8 [­] n= 8,000 [­]P= 394,163 [kN] P= 421,623 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 312 [kN] VT= 124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 39 [kN] PT= 15,6 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 433,163 [kN] P(V)= 437,223 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 294,504 [kN] Vp= 0 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 36,813 [kN] Pp= 0,000 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

Page 106: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”97

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 91,60Pile 3 2,7 7,29 68,70Pile 4 1,8 3,24 45,80Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,80Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,70Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,60Pile8 0 0

46,98

0,00

Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 446,49 37,95 0,00 484,442 446,49 37,95 91,60 576,033 433,16 36,81 68,70 538,674 433,16 36,81 45,80 515,775 433,16 36,81 ­45,80 424,186 433,16 36,81 ­68,70 401,287 446,49 37,95 ­91,60 392,848 446,49 37,95 0,00 484,44

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 450,68 0,00 0,00 450,682 450,68 0,00 91,60 542,273 437,22 0,00 68,70 505,924 437,22 0,00 45,80 483,025 437,22 0,00 ­45,80 391,436 437,22 0,00 ­68,70 368,537 450,68 0,00 ­91,60 359,088 450,68 0,00 0,00 450,68

2) Case with two line loads (illustration in case with maximal force):V= 518,124  [kN]M= 1261,057  [kNm]e= 2,43 [m]

NODE 1Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3174,3 [kN] VLT= 3395,855 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 396,7875  [kN] P= 424,482 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 310,5 [kN] VT= 124,2 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 38,8125 [kN] PT= 15,525 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 435,600 [kN] P(V)= 440,007 [kN]

4) from traffic

Page 107: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”98

Superposition of two stages:

I) vertical load from traffic applied at the centre of gravityVp= 632,1 [kN] Vp= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]Pp= 79,0125 [kN] Pp= 0 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1261,057 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29 72,47Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0

Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 449,01 81,44 0,00 530,452 449,01 81,44 96,63 627,083 435,60 79,01 72,47 587,094 435,60 79,01 48,32 562,935 435,60 79,01 ­48,32 466,306 435,60 79,01 ­72,47 442,147 449,01 81,44 ­96,63 433,828 449,01 81,44 0,00 530,45

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 453,55 0,00 0,00 453,552 453,55 0,00 96,63 550,183 440,01 0,00 72,47 512,484 440,01 0,00 48,32 488,325 440,01 0,00 ­48,32 391,696 440,01 0,00 ­72,47 367,537 453,55 0,00 ­96,63 356,928 453,55 0,00 0,00 453,55

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 3153,3 [kN] VLT= 3372,985 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 394,163 [kN] P= 421,623 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 0 [kN] Vshrinkage= 0 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 0 [kN] P= 0 [kN]

3) from temperature gradientVT= 312 [kN] VT= 124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]

PT= 39 [kN] PT= 15,6 [kN]

Page 108: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”99

Force in pile from central loadP(V)= 433,163 [kN] P(V)= 437,223 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= 294,504 [kN] Vp= 0 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= 36,813 [kN] Pp= 0,000 [kN]II) bending moment induced by traffic load M= 1 261,057 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29 72,47Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0,00

Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 446,49 37,95 0,00 484,442 446,49 37,95 96,63 581,073 433,16 36,81 72,47 542,454 433,16 36,81 48,32 518,295 433,16 36,81 ­48,32 421,666 433,16 36,81 ­72,47 397,507 446,49 37,95 ­96,63 387,818 446,49 37,95 0,00 484,44

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 450,68 0,00 0,00 450,682 450,68 0,00 96,63 547,313 437,22 0,00 72,47 509,704 437,22 0,00 48,32 485,545 437,22 0,00 ­48,32 388,916 437,22 0,00 ­72,47 364,757 450,68 0,00 ­96,63 354,058 450,68 0,00 0,00 450,68

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 530,450 530,450 484,440 484,4402 622,046 627,083 576,035 581,0723 583,309 587,087 538,672 542,4504 560,410 562,929 515,773 518,2925 468,815 466,296 424,178 421,6596 445,916 442,138 401,279 397,5017 438,855 433,818 392,844 387,8078 530,450 530,450 484,440 484,440

Page 109: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”100

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 453,549 453,549 450,679 450,6792 545,144 550,181 542,275 547,3123 508,703 512,481 505,920 509,6984 485,805 488,323 483,021 485,5395 394,209 391,691 391,425 388,9076 371,310 367,532 368,527 364,7497 361,953 356,916 359,084 354,0478 453,549 453,549 450,679 450,679

DISPLACEMENTS

Displacements combinations (corresponding to lads combinations):

Combination IV:ADisplacements [m] Displacements from loads combination

Loads coefficients Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Long term loads: max min Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal  Rotational  Horizontal Rotationalown weight 1,0 0,9 ­0,0441115  ­0,014464  0,045514  0,011304  ­0,0441115 ­0,014464  0,045514  0,011304pavement 0,9 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,004239  ­0,001215  0,004239  0,001188earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298  0,02232 0,002691  ­0,02232  ­0,002682shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278 0 0 0 0castings 1,0 0,9 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553Variable loads:traffic 1,5 0,7 ­0,010488  ­0,00425  0,006382  0,0020754 ­0,015732  ­0,006375  0,009573  0,0031131temperature gradient 1,5 0,6 ­0,00505  ­0,000147  0,00505 0,00016  ­0,00303  ­0,0000882  0,00303  0,000096

Displacements ­0,0671125 ­0,0221422 0,062356 0,0157011

Combintion V:ADisplacements [m] Displacements from loads combination

Loads coefficients Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Long term loads: max min  Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal  Rotational  Horizontal Rotationalown weight 1,05 0,95 ­0,0441115  ­0,014464  0,045514  0,011304  ­0,0463171 ­0,0151872  0,0477897 0,0118692pavement 1,15 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,0054165 ­0,0015525  0,0054165 0,001518earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298  0,02232 0,002691  ­0,02232  ­0,002682

shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693 0,00278 0 0 0 0

castings 1,05 0,95 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,04128  ­0,0133403  0,0412797 0,0100307

Variable loads:traffic 1,0 0,0 ­0,010488  ­0,00425 0,006382  0,0020754 ­0,010488  ­0,00425  0,006382  0,0020754temperature gradient 0,6 0,0 ­0,00505  ­0,000147 0,00505 0,00016  ­0,00303  ­0,0000882  0,00303  0,000096

Displacements ­0,0652516 ­0,0210779 0,0626182 0,0155586

Temperature induced displacement:Tmin= ­35  [ºC]Tmax= 40  [ºC]

Temperature gradient:T= 75  [ºC]

Length of half of the bridge:          L = 62  [m]

Temperature coefficient (for steel and concrete):

t= 0,00001 [1/ºC]Tmax= 37,5 [ºC]

maxTtt L ∆⋅⋅=∆ α

t,max= 0,02325  [m]

Page 110: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”101

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,0903625  0,085606

pCONTRAM 0,02232 ­0,02232

p 0,02102 ­0,02102 [m] ­0,06934 0,06459

r [­] ­0,01854 0,01317

Combination V:ANode 1 Node 10

calc ­0,0885016  0,0858682

pCONTRAM 0,02232 ­0,02232

p 0,02102 ­0,02102 [m] ­0,06748 0,06485

r [­] ­0,01854 0,01303

MINIMAL DISPLACEMENTIn this case temperature loads are dominant.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,52 ­0,0031875  ­0,0013 0,00459 0,0013

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,112 ­0,031 ­0,0156 0,031 0,00195

Case 3 Casting­ stage 2 0,32 0,229 0,0163 3,49E­03 ­0,0163 ­0,00573Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00991 0,000679  0,000135  ­0,000679 ­0,00025Case 5 Casting­ stage 4 ­0,127 ­1,21 ­0,0258 ­0,0009 0,0258 0,0137Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00939 0,000507 0,00017  ­0,000507  ­0,000117Case 7  Earth pressure ­0,157 ­0,157 0,0248 0,00299 ­0,0248 ­0,00298Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161  ­0,000459  0,00161 0,000451Case 22  Pavement ­0,341 ­0,337 ­0,00471  ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,201 0,203 0,00693 ­0,0028 ­0,00693 0,00278Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000751  ­0,000211  0,000751 0,000211Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656  ­0,0656 0,0015 0,000422 ­0,0015 ­0,000422Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,207 0,208 0,00505 0,000147  ­0,00505 ­0,00016Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,207 ­0,208 ­0,00505  ­0,000147  0,00505 0,00016

Case Traffic load 0,21125  0,21846 0,006015  0,0016957 ­0,005839  ­0,0017599

Node 1 Node 10Traffic load ­ resultsx Fz r x Fz r

NK 1 ­0,005748 ­0,5751 ­0,002916 ­0,003969 0,1389 ­0,001114NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,002046 0,07175 0,0005757Max Fx

­0,010488 ­0,903 ­0,00425 ­0,001923 0,21065 ­0,0005383NK 1 0,003969 0,1395 0,00112 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fx

0,006015 0,21125 0,0016957 0,002694 ­0,25614 0,0007581NK 1 0,003793 0,1467 0,001184 ­0,003793 0,1467 ­0,001184NK 2 0,002046 0,07175 0,0005757 ­0,002046 0,07176 ­0,0005759Max Fz

0,005839 0,21845 0,0017597 ­0,005839 0,21846 ­0,0017599NK 1 ­0,001871 ­1,016 ­0,0009656 0,001642 ­0,09282 0,0007414NK 2 ­0,00474 ­0,3279 ­0,001334 0,00474 ­0,3279 0,001334Min Fz

­0,006611 ­1,3439 ­0,0022996 0,006382 ­0,42072 0,0020754

Page 111: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”102

Loads combnations:

Combination IV:ALoads coefficients Loads Combination loads

Long term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,0 0,9 ­2,7261 ­2,7087 ­2,45349 ­2,43783pavement 0,9 0,8 ­0,341 ­0,337 ­0,2728 ­0,2696earth pressure 1,1 0,9 ­0,157 ­0,157 ­0,1727 ­0,1727shrinkage 1,0 0,0 0,201 0,203 0,201 0,203castings 1,0 0,9 ­1,0901 ­1,0737 ­0,98109 ­0,96633Variable loads:traffic 1,5 0,7 0,21125 0,21846 0,147875 0,152922temperature gradient 1,5 0,6 ­0,207 ­0,208 ­0,3105 ­0,312

Combination V:ALoads coefficients Loads Combination loads

Long term loads: max min Node 1 Node 10 Node 1 Node 10own weight 1,05 0,95 ­2,7261 ­2,7087 ­2,589795 ­2,573265pavement 1,15 0,8 ­0,341 ­0,337 ­0,2728 ­0,2696earth pressure 1,1 0,9 ­0,157 ­0,157 ­0,1727 ­0,1727shrinkage 1,0 0,0 0,201 0,203 0,201 0,203castings 1,05 0,95 ­1,0901 ­1,0737 ­1,035595 ­1,020015Variable loads:traffic 1,0 0,0 0,21125 0,21846 0,21125 0,21846temperature gradient 0,6 0,0 0,207 0,208 0,1242 0,1248

Calculations of forces acting on piles:

1) Case with three line loads (illustration in case with maximal force):

V= 545,385  [kN]M= 1195,319  [kNm]e= 2,19 [m]

NODE 1 Combination VI:A Combination V:AForces in piles:1) from dead loads

VLT= 2898,99 [kN] VLT= 3035,295 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 362,3738 [kN] P= 379,412 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 201 [kN] Vshrinkage= 201 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]

P= 25,125 [kN] P= 25,125 [kN]

3) from temperature gradient

VT= 310,5 [kN] VT= ­124,2 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]

PT= 38,8125 [kN] PT= ­15,525 [kN]Force in pile from central load

P(V)= 426,311 [kN] P(V)= 389,012 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:

I) vertical load from traffic applied at the centre of gravityVp= ­147,875  [kN] Vp= ­211,25 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]Pp= ­18,4844  [kN] Pp= ­26,40625 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

Page 112: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”103

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,000Pile 2 3,6 12,96 91,595Pile 3 2,7 7,29 68,696Pile 4 1,8 3,24 45,798Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,798Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,696Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,595Pile8 0 0

46,98

0,000

Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 439,43 ­19,05 0,00 420,382 439,43 ­19,05 91,60 511,973 426,31 ­18,48 68,70 476,524 426,31 ­18,48 45,80 453,625 426,31 ­18,48 ­45,80 362,036 426,31 ­18,48 ­68,70 339,137 439,43 ­19,05 ­91,60 328,788 439,43 ­19,05 0,00 420,38

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 400,98 ­27,22 0,00 373,772 400,98 ­27,22 91,60 465,363 389,01 ­26,41 68,70 431,304 389,01 ­26,41 45,80 408,405 389,01 ­26,41 ­45,80 316,816 389,01 ­26,41 ­68,70 293,917 400,98 ­27,22 ­91,60 282,178 400,98 ­27,22 0,00 373,77

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 2880,13 [kN] VLT= 3015,565 [kN]n= 8 [­] n= 8,000 [­]P= 360,016 [kN] P= 376,946 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= 203 [kN] Vshrinkage= ­203 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= 25,375 [kN] P= ­25,375 [kN]

3) from temperature gradientVT= 312 [kN] VT= ­124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 39 [kN] PT= ­15,6 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 424,391 [kN] P(V)= 335,971 [kN]

4) from trafficSuperposition of two stages:

I) vertical load from traffic applied at the centre of gravityVp= ­152,922  [kN] Vp= ­218,46 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]Pp= ­19,115 [kN] Pp= ­27,308 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1195,319 [kNm]

Page 113: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”104

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 91,60Pile 3 2,7 7,29 68,70Pile 4 1,8 3,24 45,80Pile 5 ­1,8 3,24 ­45,80Pile 6 ­2,7 7,29 ­68,70Pile 7 ­3,6 12,96 ­91,60Pile8 0 0

46,98

0,00Forces in piles:

Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 437,45 ­19,70 0,00 417,752 437,45 ­19,70 91,60 509,343 424,39 ­19,12 68,70 473,974 424,39 ­19,12 45,80 451,075 424,39 ­19,12 ­45,80 359,486 424,39 ­19,12 ­68,70 336,587 437,45 ­19,70 ­91,60 326,158 437,45 ­19,70 0,00 417,75

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 346,31 ­28,15 0,00 318,162 346,31 ­28,15 91,60 409,763 335,97 ­27,31 68,70 377,364 335,97 ­27,31 45,80 354,465 335,97 ­27,31 ­45,80 262,876 335,97 ­27,31 ­68,70 239,977 346,31 ­28,15 ­91,60 226,578 346,31 ­28,15 0,00 318,16

2) Case with two line loads (illustration in case with maximal force):

V= 518,124  [kN]M= 1261,057  [kNm]e= 2,43 [m]

NODE 1Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 2898,99 [kN] VLT= 3035,295 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 362,3738  [kN] P= 379,412 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= ­201 [kN] Vshrinkage= 201 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= ­25,125 [kN] P= 25,125 [kN]

3) from temperature gradientVT= 310,5 [kN] VT= ­124,2 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 38,8125 [kN] PT= ­15,525 [kN]

Force in pile from central loadP(V)= 376,061 [kN] P(V)= 389,012 [kN]

4) from traffic

Page 114: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”105

Superposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= ­147,875  [kN] Vp= ­211,25 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= ­18,4844  [kN] Pp= ­26,40625 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1261,057 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29

46,98

72,47i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0

Forces in piles:

Combination VI:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 387,64 ­19,05 0,00 368,582 387,64 ­19,05 96,63 465,213 376,06 ­18,48 72,47 430,054 376,06 ­18,48 48,32 405,895 376,06 ­18,48 ­48,32 309,266 376,06 ­18,48 ­72,47 285,107 387,64 ­19,05 ­96,63 271,958 387,64 ­19,05 0,00 368,58

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 400,98 ­27,22 0,00 373,772 400,98 ­27,22 96,63 470,403 389,01 ­26,41 72,47 435,084 389,01 ­26,41 48,32 410,925 389,01 ­26,41 ­48,32 314,296 389,01 ­26,41 ­72,47 290,137 400,98 ­27,22 ­96,63 277,138 400,98 ­27,22 0,00 373,77

NODE 10Forces in piles: Combination VI:A Combination V:A1) from dead loads

VLT= 2880,13 [kN] VLT= 3015,565 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]P= 360,016 [kN] P= 376,946 [kN]

2) from shrinkageVshrinkage= ­203 [kN] Vshrinkage= 203 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]P= ­25,375 [kN] P= 25,375 [kN]

3) from temperature gradientVT= 312 [kN] VT= ­124,8 [kN]

n= 8 [­] n= 8 [­]PT= 39 [kN] PT= ­15,6 [kN]

Page 115: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”106

Force in pile from central loadP(V)= 373,641 [kN] P(V)= 386,721 [kN]

4) from traffic

Superposition of two stages:I) vertical load from traffic applied at the centre of gravity

Vp= ­152,922  [kN] Vp= ­218,46 [kN]n= 8 [­] n= 8 [­]

Pp= ­19,115 [kN] Pp= ­27,308 [kN]

II) bending moment induced by traffic load M= 1 261,057 [kNm]

i­pile xi[m] x2 x2 Pi(M)Pile 1 0 0 0,00Pile 2 3,6 12,96 96,63Pile 3 2,7 7,29 72,47Pile 4 1,8 3,24 48,32Pile 5 ­1,8 3,24 ­48,32Pile 6 ­2,7 7,29 ­72,47Pile 7 ­3,6 12,96 ­96,63Pile8 0 0

46,98

0,00

Forces in piles:Combination IV:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 385,14 ­19,70 0,00 365,442 385,14 ­19,70 96,63 462,073 373,64 ­19,12 72,47 427,004 373,64 ­19,12 48,32 402,845 373,64 ­19,12 ­48,32 306,216 373,64 ­19,12 ­72,47 282,057 385,14 ­19,70 ­96,63 268,808 385,14 ­19,70 0,00 365,44

Combination V:A

Pilenumber

Pi(V)[kN]

Pi(Vtraffic)[kN]

Pi(M)[kN]

Pi[kN]

1 398,62 ­28,15 0,00 370,472 398,62 ­28,15 96,63 467,113 386,72 ­27,31 72,47 431,894 386,72 ­27,31 48,32 407,735 386,72 ­27,31 ­48,32 311,106 386,72 ­27,31 ­72,47 286,947 398,62 ­28,15 ­96,63 273,848 398,62 ­28,15 0,00 370,47

Final forces in piles:Combination IV:A

Node 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 420,378 368,582 417,749 365,4372 511,974 465,215 509,344 462,0703 476,523 430,051 473,972 427,0014 453,625 405,893 451,074 402,8425 362,029 309,261 359,478 306,2106 339,130 285,102 336,580 282,0517 328,783 271,949 326,154 268,8048 420,378 368,582 417,749 365,437

Page 116: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”107

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 373,765 373,765 318,163 370,4752 465,361 470,398 409,758 467,1073 431,302 435,080 377,360 431,8884 408,403 410,922 354,461 407,7295 316,808 314,289 262,865 311,0976 293,909 290,131 239,967 286,9397 282,170 277,133 226,567 273,8428 373,765 373,765 318,163 370,475

DISPLACEMENTS

Displacements combinations (corresponding to lads combinations):

Combination IV:A

Displacements [m] Displacements from loads combinationLoads

coefficients: Node 1 Node 10 Node 1 Node 10

Long term loads: max min  Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational

own weight 1,0 0,9 ­0,0441115  ­0,014464  0,045514  0,011304  ­0,0397004  ­0,0130176 0,0409626  0,0101736

pavement 0,9 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,003768  ­0,00108  0,003768  0,001056

earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248  ­0,00298  0,02728 0,003289  ­0,02728  ­0,003278

shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278

castings 1,0 0,9 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,0353826  ­0,0114345 0,0353826  0,0085977

Variable loads:

traffic 1,5 0,7 0,006015  0,0016957  ­0,005839  ­0,001760 0,0042105  0,0011870  ­0,004087  ­0,001232temperature gradient 1,5 0,6 0,00505 0,000147  ­0,00505  ­0,00016  0,007575  0,0002205  ­0,007575  ­0,00024

Displacements 0,00252715 ­0,0122011 ­0,001142 0,0092597

Combination V:ADisplacements [m] Displacements from loads combination

Loads coefficients Node 1 Node 10 Node 1 Node 10Long term loads: max min  Horizontal  Rotational  Horizontal  Rotational Horizontal  Rotational  Horizontal Rotationalown weight 1,05 0,95 ­0,0441115  ­0,014464  0,045514  0,011304  ­0,0419059  ­0,0137408  0,0432383 0,0107388pavement 1,15 0,8 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132  ­0,003768  ­0,00108  0,003768  0,001056earth pressure 1,1 0,9 0,0248 0,00299 ­0,0248  ­0,00298  0,02728 0,003289  ­0,02728  ­0,003278shrinkage 1,0 0,0 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278 0,00693 ­0,0028 ­0,00693  0,00278castings 1,05 0,95 ­0,039314  ­0,012705  0,039314  0,009553  ­0,0373483  ­0,0120698  0,0373483 0,00907535Variable loads:traffic 1,0 0,0 0,006015  0,0016957  ­0,005839  ­0,001756 0,006015  0,0016957  ­0,005839  ­0,0017599temperature gradient 0,6 0,0 0,00505 0,000147  ­0,00505  ­0,00016  0,00303  0,0000882  ­0,00303  ­0,000096

Displacements ­0,0024189 ­0,0125479 0,0039273 0,0094409Temperature induced displacement:

Tmin= ­35  [ºC]Tmax= 40  [ºC]

Temperature gradient:T= 75  [ºC]

Length of half of the bridge:          L = 62  [m]Temperature coefficient (for steel and concrete):

t= 0,00001 [1/ºC]

Tmax= 37,5 [ºC]

maxTtt L ∆⋅⋅=∆ α

t,max= 0,02325  [m]

Page 117: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”108

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc 0,02577715  ­0,0243917

pCONTRAM 0,02728 ­0,02728

p 0,02569 ­0,025690,02578 ­0,02439

r ­0,00945 0,00617

Combination V:ANode 1 Node 10

calc 0,02083108  ­0,0193227

pCONTRAM 0,02728 ­0,02728

p 0,02569 ­0,025690,02083 ­0,01932

r ­0,00945 0,00635

CALCULATIONS OF FORCES AND DISPLACEMENTS ACTING ON PARTICULAR ABUTMENTPILES. PILE X180.

MAXIMAL FORCEFor this case the traffic load is considered as a dominant load.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,51 ­1,51 ­0,00443 ­0,00126 0,00443 0,00125

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,3 ­0,111 ­0,0315 ­0,0157 0,0315 0,00212

Case 3 Casting­ stage 2 0,319 0,227 0,0166 3,55E­03 ­0,0166 ­0,00584Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00984 0,000689 0,000137 ­0,000689 ­0,000254Case 5 Casting­ stage 4 ­0,125 ­1,2 ­0,0261 ­0,000986 0,0261 0,0138Case 6 Casting­ stage 5 0,0157 0,00357 0,000512 0,000171 ­0,000512 ­0,000119Case 7  Earth pressure ­0,158 ­0,159 0,0252 0,00309 ­0,0252 ­0,00309

Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161 ­0,000461 0,00161 0,000452Case 22  Pavement ­0,34 ­0,336 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,2 0,203 0,00694 ­0,0028 ­0,00694 0,00278Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000765 ­0,000216 0,000766 0,000216Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656  ­0,0656 0,00153 0,000432 ­0,00153 ­0,000432Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,206 0,208 0,00506 0,000152 ­0,00505 ­0,000165Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,206 ­0,208 ­0,00506 ­0,000152 0,00506 0,000165Case 35  Traffic load ­1,3411  ­0,4196 ­0,006535 ­0,0022553 0,006384 0,0020814

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 685,499 685,499 505,994 505,9942 777,094 782,131 597,589 602,6273 733,728 737,506 559,583 563,3614 710,829 713,348 536,684 539,2035 619,234 616,715 445,089 442,5706 596,335 592,557 422,190 418,4127 593,903 588,866 414,399 409,3618 685,499 685,499 505,994 505,994

Page 118: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”109

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 627,48 627,48 507,15 507,152 719,08 724,11 598,75 603,783 677,44 681,22 560,71 564,484 654,54 657,06 537,81 540,335 562,95 560,43 446,21 443,696 540,05 536,27 423,31 419,537 535,88 530,85 415,56 410,528 627,48 627,48 507,15 507,15

DISPLACEMENTS corresponding with maximal forces in piles

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,0861665 0,08594

pCONTRAM 0,02772 ­0,02772

p 0,02610 ­0,02610 [m] ­0,06006 0,05984

r [­] ­0,01597 0,01262

Combination V:ANode 1 Node 10

calc ­0,0863685  0,08621745

pCONTRAM 0,02772 ­0,02772

p 0,02610 ­0,02610 [m] ­0,06027 0,06011

r [­] ­0,01597 0,01248

MAXIMAL DISPLACEMENTFor this case temperature loads are dominant.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,51 ­1,51 ­0,00443 ­0,00126 0,00443 0,00125

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,3 ­0,111 ­0,0315 ­0,0157 0,0315 0,00212

Case 3 Casting­ stage 2 0,319 0,227 0,0166 3,55E­03 ­0,0166 ­0,00584Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00984 0,000689 0,000137 ­0,000689  ­0,000254Case 5 Casting­ stage 4 ­0,125 ­1,2 ­0,0261 ­0,000986 0,0261 0,0138Case 6 Casting­ stage 5 0,0157 0,00357 0,000512 0,000171 ­0,000512  ­0,000119Case 7  Earth pressure ­0,158 ­0,159 0,0252 0,00309 ­0,0252 ­0,00309Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161 ­0,000461 0,00161 0,000452Case 22  Pavement ­0,34 ­0,336 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,2 0,203 0,00694 ­0,0028 ­0,00694 0,00278Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000765 ­0,000216 0,000766 0,000216Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656 ­0,0656 0,00153 0,000432 ­0,00153 ­0,000432Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,206 0,208 0,00506 0,000152 ­0,00505 ­0,000165Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,206 ­0,208 ­0,00506 ­0,000152 0,00506 0,000165Case 35  Traffic load ­1,3488 0,011969 ­0,007465 ­0,0015072 0,011969 0,0010606

Page 119: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”110

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 567,772 567,772 443,841 443,8412 659,368 664,405 535,436 540,4743 619,516 623,295 499,285 503,0644 596,618 599,136 476,387 478,905

Node 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

5 505,022 502,504 384,791 382,2736 482,124 478,345 361,892 358,1147 476,177 471,140 352,246 347,2088 567,772 567,772 443,841 443,841

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 450,61 450,61 448,99 448,992 542,21 547,24 540,58 545,623 505,85 509,63 504,28 508,064 482,96 485,47 481,38 483,905 391,36 388,84 389,79 387,276 368,46 364,68 366,89 363,117 359,02 353,98 357,39 352,368 450,61 450,61 448,99 448,99

DISPLACEMENTS

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,0861435  0,0892963

pCONTRAM 0,02268 ­0,02268

p 0,02136 ­0,02136 [m] ­0,06479 0,06794

r [­] ­0,01581 0,01097

 Combination V:ANode 1 Node 10

calc ­0,0872985 0,0918025

pCONTRAM 0,02268 ­0,02268

p 0,02136 ­0,02136 [m] ­0,06594 0,07045

r [­] ­0,01581 0,01204

Page 120: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”111

MINIMAL DISPLACEMENTIn this case temperature loads are dominant.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,51 ­1,51 ­0,00443 ­0,00126 0,00443 0,00125

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,3 ­0,111 ­0,0315 ­0,0157 0,0315 0,00212

Case 3 Casting­ stage 2 0,319 0,227 0,0166 3,55E­03 ­0,0166 ­0,00584Case 4 Casting­ stage 3 0,0111 0,00984 0,000689 0,000137 ­0,000689 ­0,000254Case 5 Casting­ stage 4 ­0,125 ­1,2 ­0,0261 ­0,000986 0,0261 0,0138Case 6 Casting­ stage 5 0,0157 0,00357 0,000512 0,000171 ­0,000512 ­0,000119Case 7  Earth pressure ­0,158 ­0,159 0,0252 0,00309 ­0,0252 ­0,00309

Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00161 ­0,000461 0,00161 0,000452Case 22  Pavement ­0,34 ­0,336 ­0,00471 ­0,00135 0,00471 0,00132Case 23  Shrinkage 0,2 0,203 0,00694 ­0,0028 ­0,00694 0,00278

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0329 0,0329 ­0,000765 ­0,000216 0,000766 0,000216Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0656 ­0,0656 0,00153 0,000432 ­0,00153 ­0,000432Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,206 0,208 0,00506 0,000152 ­0,00505 ­0,000165Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,206 ­0,208 ­0,00506 ­0,000152 0,00506 0,000165

Case Traffic load 0,21657 ­0,006897 0,006896 0,0011291  ­0,006897 ­0,001128

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 359,958 308,419 378,869 326,5582 451,553 405,051 470,465 423,1903 417,907 371,685 436,254 389,2824 395,008 347,526 413,355 365,1245 303,412 250,894 321,760 268,491

Node 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

6 280,514 226,736 298,861 244,3337 268,362 211,786 287,274 229,9258 359,958 308,419 378,869 326,558

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 392,902 393,044 368,310 420,6222 484,498 489,677 459,906 517,2553 449,868 453,783 426,010 480,5384 426,969 429,625 403,111 456,3805 335,374 332,992 311,516 359,7476 312,475 308,834 288,617 335,5897 301,307 296,411 276,715 323,9898 392,902 393,044 368,310 420,622

Page 121: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”112

DISPLACEMENTS

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc 0,0253041  ­0,0252898

pCONTRAM 0,02772 ­0,02772

p 0,02610 ­0,02610 [m] 0,05141 ­0,05139

r [­] ­0,00988 0,00647

Combination V:ANode 1 Node 10

calc 0,02052695  ­0,020522

pCONTRAM 0,02772 ­0,02772

p 0,02610 ­0,02610 [m] 0,04663 ­0,04663

r [­] ­0,00988 0,00685

Calculations of forces and displacements acting on particular abutment piles. PileØ219.1x12.5.

MAXIMAL FORCEFor this case the traffic load is considered as a dominant load.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,51 ­0,00416 ­0,00117 0,00416 0,00117

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,116 ­0,0196 ­0,015 0,0296 0,00165

Case 3 Casting­ stage 2 0,322 0,231 0,0157 0,00334 ­0,0157 ­0,00549Case 4 Casting­ stage 3 0,0112 0,01 0,000655 0,000129 ­0,000655 ­0,000239Case 5 Casting­ stage 4 ­0,129 ­1,21 ­0,0248 ­0,000741 0,0248 0,0132Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00946 0,000492 0,000164 ­0,000492 ­0,000112Case 7  Earth pressure ­0,153 ­0,154 0,0243 0,00281 ­0,0243 ­0,00281Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00155 ­0,000439 0,00155 0,000431Case 22  Pavement ­0,341 ­0,338 ­0,00453 ­0,00129 0,00453 0,00126Case 23  Shrinkage 0,201 0,204 0,00683 ­0,00281 ­0,00683 0,0028Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0327 0,0327 ­0,000741 ­0,000207 0,000741 0,000207Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0653 ­0,0653 0,00148 0,000413 ­0,00148 ­0,000413Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,209 0,209 0,00498 0,000127 ­0,00498 ­0,000127Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,209 ­0,209 ­0,00498 ­0,000127 0,00498 0,000127

Case Traffic load ­1,3422 ­0,42117 ­0,006325 ­0,0021696 0,006178 0,0019988

Final forces in piles:Combination IV:A

Node 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 688,030 688,030 506,536 506,5362 779,626 784,663 598,131 603,1693 736,184 739,962 560,108 563,8864 713,285 715,804 537,210 539,7285 621,690 619,171 445,614 443,0966 598,791 595,013 422,715 418,9377 596,435 591,398 414,940 409,9038 688,030 688,030 506,536 506,536

Page 122: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”113

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 630,107 630,107 507,688 507,6882 721,702 726,740 599,283 604,3213 679,990 683,768 561,226 565,0044 657,091 659,610 538,327 540,8465 565,496 562,977 446,732 444,2136 542,597 538,819 423,833 420,0557 538,512 533,474 416,093 411,0558 630,107 630,107 507,688 507,688

DISPLACEMENTS corresponding with maximal forses in piles

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,0730655 0,082845

pCONTRAM 0,02673 ­0,02673

p 0,02517 ­0,02517 [m] ­0,04789 0,05767

r [­] ­0,01530 0,01191

Combination V:ANode 1 Node 10x [m] x [m]

calc ­0,0726987 0,08305165

pCONTRAM 0,02673 ­0,02673

p 0,02517 ­0,02517 [m] ­0,04753 0,05788

r [­] ­0,01522 0,01175

MAXIMAL DISPLACEMENTFor this case temperature loads are dominant

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,51 ­0,00416 ­0,00117 0,00416 0,00117

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,116 ­0,0196 ­0,015 0,0296 0,00165

Case 3 Casting­ stage 2 0,322 0,231 0,0157 0,00334 ­0,0157 ­0,00549Case 4 Casting­ stage 3 0,0112 0,01 0,000655 0,000129 ­0,000655 ­0,000239Case 5 Casting­ stage 4 ­0,129 ­1,21 ­0,0248 ­0,000741 0,0248 0,0132Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00946 0,000492 0,000164 ­0,000492 ­0,000112Case 7  Earth pressure ­0,153 ­0,154 0,0243 0,00281 ­0,0243 ­0,00281Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00155 ­0,000439 0,00155 0,000431Case 22  Pavement ­0,341 ­0,338 ­0,00453 ­0,00129 0,00453 0,00126Case 23  Shrinkage 0,201 0,204 0,00683 ­0,00281 ­0,00683 0,0028Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0327 0,0327 ­0,000741 ­0,000207 0,000741 0,000207Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0653 ­0,0653 0,00148 0,000413 ­0,00148 ­0,000413Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,209 0,209 0,00498 0,000127 ­0,00498 ­0,000127Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,209 ­0,209 ­0,00498 ­0,000127 0,00498 0,000127

Case Traffic load ­0,9071 ­0,38316 ­0,013341 ­0,00377 0,013341 0,0012571

Page 123: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”114

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 624,232 599,996 479,962 479,9622 715,827 696,628 571,557 576,5953 674,290 654,556 534,328 538,1064 651,391 630,398 511,429 513,9485 559,796 533,765 419,834 417,3156 536,897 509,607 396,935 393,1577 532,636 503,363 388,367 383,3298 624,232 599,996 479,962 479,962

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 570,103 570,103 498,822 498,8222 661,698 666,736 590,417 595,4553 621,778 625,556 552,625 556,4034 598,879 601,398 529,726 532,2455 507,284 504,765 438,131 435,6126 484,385 480,607 415,232 411,4547 478,508 473,470 407,227 402,1898 570,103 570,103 498,822 498,822

DISPLACEMENTS

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc ­0,0773987  0,0873987

pCONTRAM 0,02187 ­0,02187

p 0,02059 ­0,02059 [m] ­0,05680 0,06680

r [­] ­0,01533 0,01043

Combination V:ANode 1 Node 10

calc ­0,0797147  0,0902147

pCONTRAM 0,02187 ­0,02187

p 0,02059 ­0,02059 [m] ­0,05912 0,06962

r [­] ­0,01735 0,01154

Page 124: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”115

MINIMAL DISPLACEMENTIn this case temperature loads are dominant.

Support reactions Displacements

Node 1 Node 10Loadcase

Descriptionof load case

Node 1[MN]

Node 10[MN] Hirizontal

 [m]Rotational

[­]Hirizontal

 [m]Rotational

[­]

Case 1 Own weight of steel beams ­1,52 ­1,51 ­0,00416 ­0,00117 0,00416 0,00117

Case 2 Casting ­ stage 1 ­1,31 ­0,116 ­0,0196 ­0,015 0,0296 0,00165

Case 3 Casting­ stage 2 0,322 0,231 0,0157 0,00334 ­0,0157 ­0,00549Case 4 Casting­ stage 3 0,0112 0,01 0,000655 0,000129 ­0,000655 ­0,000239Case 5 Casting­ stage 4 ­0,129 ­1,21 ­0,0248 ­0,000741 0,0248 0,0132Case 6 Casting­ stage 5 0,0158 0,00946 0,000492 0,000164 ­0,000492 ­0,000112Case 7  Earth pressure ­0,153 ­0,154 0,0243 0,00281 ­0,0243 ­0,00281

Case 21 Taking off the formwork+railings ­0,116 ­0,115 ­0,00155 ­0,000439 0,00155 0,000431Case 22  Pavement ­0,341 ­0,338 ­0,00453 ­0,00129 0,00453 0,00126Case 23  Shrinkage 0,201 0,204 0,00683 ­0,00281 ­0,00683 0,0028Case 31  Temperature gradient ­5º 0,0327 0,0327 ­0,000741 ­0,000207 0,000741 0,000207Case 32  Temperature gradient ­10º ­0,0653 ­0,0653 0,00148 0,000413 ­0,00148 ­0,000413Case 33  Temp gradient ­10º,higher steel temp 0,209 0,209 0,00498 0,000127 ­0,00498 ­0,000127Case 34  Temp gradient 10º,lower steel temp ­0,209 ­0,209 ­0,00498 ­0,000127 0,00498 0,000127Case  35  Traffic load 0,21442 0,21373 0,007687 0,0014503 ­0,008317 ­0,0014458

Final forces in piles:

Combination IV:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 360,798 309,002 358,269 305,6992 452,394 405,635 449,864 402,3323 418,722 372,250 416,268 369,0464 395,823 348,092 393,370 344,8885 304,228 251,459 301,774 248,2566 281,329 227,301 278,875 224,0977 269,203 212,369 266,674 209,0678 360,798 309,002 358,269 305,699

Combination V:ANode 1 Node 10

Pilenumber

3 lane loads

2 lane loads

3 lane loads

2 lane loads

1 394,308 394,450 339,072 339,0722 485,903 491,083 430,667 435,7043 451,231 455,147 397,644 401,4224 428,333 430,989 374,746 377,2645 336,737 334,356 283,150 280,6326 313,839 310,198 260,251 256,4737 302,713 297,817 247,476 242,4398 394,308 394,450 339,072 339,072

Page 125: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix A

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”116

DISPLACEMENTS

Final displacements:

Combination IV:ANode 1 Node 10

calc 0,0361002 ­0,0275412

pCONTRAM 0,00683 ­0,00683

p 0,00643 ­0,00643 [m] 0,04253 ­0,03397

r [­] ­0,01454 0,01170

Combination V:ANode 1 Node 10

calc 0,01807459 ­0,0092046

pCONTRAM 0,02673 ­0,02673

p 0,02517 ­0,02517 [m] 0,04325 ­0,03438

r [­] ­0,00934 0,00636

Page 126: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix B

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”117

B. APPENDIX

 Geometry of the bridge

The bridge over Dalälven  is a three span bridge with  the  lengths of spans: 38.5 m and47 m.Total length of the bride equals 124m (L = 38.5 + 47 +38.5 m). Girders are made of welded I­sectionsplaced at a nominal distance 5600 mm. Height of the girders vary between 1250 and 2500 mm.

Integrated  abutments  (single  rows  of  vertical  piles)  for  calculations  purposed  have  beenreplaced with  three sets of springs: horizontal, vertical and point spring. Spring constants have beencalculated  in  the  way  to  represent  response  of abutments  and soil  surrounding  them.  Calculation  ofspring constants is presented in point 1.5 and Appendix C.

Figure 49

 Schematic geometry of the bridge.Beams 2 and 7

Length: 18300 mmAmount Profile  Thickness Width  Length

Upper flange 1 PL 25 600 17800Web 1177­1198 1 PL 17 1188 18300Bottom flange 1 PL 49 825 18300

Beams 3 and 6Length: 27000 mm

Amount Profile  Thickness Width  LengthUpper flange 1 PL 25 600 15000Upper flange 1 PL 34 600 12000Web 1204­1949 1 PL 18 1576 15000Web 1 PL 21 2426 12000Bottom flange 1 PL 42 825 15000Bottom flange 1 PL 40 825 12000

Beams 4 and 5Length: 17000 mm

Amount Profile  Thickness Width  LengthUpper flange 1 PL 25 550 17000Web 1177­1198 1 PL 17 1532 17000Bottom flange 1 PL 49 825 17000

47

1

1

 ­ number of the element,

 ­ number of the node,

38,5

2

1

1 2

543

3 4 5

38,5

8

876

6 7

9

5

10

9

Page 127: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix B

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”118

• Elements (nodes coordinates)

Figure 50

 Schematic geometry of the bridge with the length of elements .

No a node  b node Xa Za Xb Zb1 1 2 0 5 0 02 2 3 0 0 30 03 3 4 30 0 38.5 04 4 5 38.5 0 49.5 05 5 6 49.5 0 74.5 06 6 7 74.5 0 85.5 07 7 8 85.5 0 94 08 8 9 94 0 124 09 9 10 124 0 124 5

• Supports

Node x z y4 0 1 07 0 1 0

• Springs

Springconstant

Pile

Verticalkz

[MN/m]

Horizontalkx [MN/m]

Rotationalkr [MNm]

Pile X200 232,02 3,12 5,55Pile X180 168,92 2,52 3,61

Pile Ø219.1x12.5  169,78 4,27 10,40

• Stiffness of elements [m4]en ria rib x1 ri1 x2 ri2 x3 ri31 0.0587 0.05872 0.0308 0.0794 0.566 0.0308 0.567 0.0362 0.700 0.04123 0.0794  0.2154 0.353 0.1048 0.354 0.1322 0.588 0.15984 0.2154  0.0640 0.136 0.1950 0.318 0.1598 0.499 0.12225 0.0640  0.0640 0.140 0.0492 0.300 0.0396 0.500 0.0356

 ­ number of the element,

 ­ number of the node,

1

Z

1

2

11 2

43 5

3 4 5

876

6 7 8

9

10

9

X

2500011000850030000 30000850011000 5000

Page 128: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix B

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”119

ria ribrikri2ri1

x1*lx2*l

xk*l

l

en ria rib xl ri1 x2 ri2 x3 ri36 0.0640  0.2154 0.273 0.0832 0.500 0.1048 0.501 0.13227 0.2154  0.0794 0.176 0.1950 0.412 0.1598 0.646 0.13228 0.0764  0.0308 0.100 0.0612 0.200 0.0492 0.300 0.04129 0.0587  0.0587

en x4 ri4 x5 ri512 0.800 0.0492 0.900 0.06123 0.824 0.19504 0.500 0.1048 0.727 0.08325 0.700 0.0396 0.860 0.04926 0.628 0.1598 0.864 0.19507 0.647 0.10488 0.433 0.0362 0.434 0.03089

• Stiffness of elements after casting particular parts of the bridge.Stages of casting:stage 1 ­ casting element 2stage 2 ­ casting element 5stage 3 ­ casting elements 3,4stage 4 ­ casting element 8stage 5 ­ casting elements 6,7

After stage 1:ria rib x1 ri1 x2 ri2

Element 2  0.0776  0.1774 0.566 0.0776 0.567 0.0904

x3 ri3 x4 ri4 x5 ri50.700 0.1008 0.800 0.1172 0.900 0.1416

After stage 2:ria rib x1 ri1 x2 ri2

Element 5  0.1470  0.1470 0.140 0.1172 0.300 0.0974

x3 ri3 x4 ri4 x5 ri50.500 0.0890 0.700 0.0974 0.860 0.1172

After stage 3:ria rib x1 ri1 x2 ri2

Element 3  0.0794  0.2154 0.353 0.1048 0.354 0.1322Element 4  0.2154  0.0640 0.136 0.1950 0.318 0.1598

x3 ri3 x4 ri4 x5 ri50.588 0.1598 0.824 0.19500.499 0.1222 0.500 0.1048 0.727 0.0832

Page 129: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix B

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”120

After stage 4:ria rib x1 ri1 x2 ri2

Element 8  0.1774  0.0776 0.100 0.1416 0.200 0.1172

x3 ri3 x4 ri4 x5 ri50.300 0.1008 0.433 0.0904 0.434 0.0776

After stage 5:ria rib x1 ri1 x2 ri2

Element 6  0.1242  0.3464 0.273 0.1564 0.500 0.1920Element 7  0.3464  0.1500 0.176 0.3162 0.412 0.2640

x3 ri3 x4 ri4 x5 ri50.501 0.2224 0.628 0.2640 0.864 0.31620.646 0.2224 0.647 0.1920

Page 130: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”121

kz

kx kr

C. APPENDIX

Calculation of pile and soil stiffnes.

In  order  to  do  the  calculations  for  the  whole  bridge  in  program  CONTRAM,  the  piles  areidealized by three sets of springs: a lateral spring, a vertical spring and a point spring. To obtain theconstants for those springs there were done calculations for a single pile modelled as a beam supportedon elastic foundation and the soil was replaced by the series of springs.

The spring constants were calculated with the use of a simple formula:

∆=

Fk  [MN/m], [MNm/radian]

whereF – is an axial force, when calculating vertical abd horizontal spring constant and a bending moment

for a rotational spring constant, [MN], [MNm],  –  a  displacement  related  with  actin  load,  adequately  horizontal  dispalacement  [m],  vertical

displacement [m] or rotation [radian].

To simplify the calucations the piles are subjected to unit loads or displacements:­ Vertical force Fz=1MN­ Horizontal displacement x=0,01 m­ Rotational displacement r=0,001 rad

The second component of the formula was taken from the CONTRAM results (presented at the end ofthis appendix).

Springs  supporting  a  pile,  representing  the  soil  response  are  characterized  with  the  springconstant  (a  subgrade  reaction  modulus).The  calculations  of  subgrade  modulus  values  were  doneaccordig  to Swedish  norm Bro 2004: Tables 1  and  2  and  the  Appendix 3­4. The subgrade  reactionmodulus  is assumed to change linearly with the depth, proportionally to the coefficient of horizontalsubgrade  reaction  of  the  soil(nh),  what  is  expresseb  with  formula: ]/[5,2 2mMNzznk hh ⋅=⋅= .  Thevalue of nh was  taken from Table 1 (Bro 2004),  for very  lowly compacted soil,  the ground over  thelevel of ground water. The maximal value of  the subgrade reaction modulus for sand  is 12 [MN/m2](according to Table 2).

Subgrade reaction modulus:

Node x [m]  kh[MN/m] Node x [m] kh[MN/m]1 0 0 11 5,0 6,252 0,5 0,703125 12 5,5 6,8753 1,0 1,25 13 6,0 7,54 1,5 1,875 14 6,5 8,1255 2,0 2,5 15 7,0 8,756 2,5 3,125 16 7,5 9,3757 3,0 3,75 17 8,0 108 3,5 4,375 18 8,5 10,6259 4,0 5 19 9,0 11,25

10 4,5 5,625 20 9,5 11,875

Page 131: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”122

20

19

18

17

16

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1kh

PILE X200

1) Vertical stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (Fz=1 MN)Vertical stifness, X200 pile

GEOM  1  20 1  0 0 0  10RAND  1  1  1  1 0 1/    20 20  1  0 1 0

Add    2  2  1  0.703  0 0/      3  3  1  1.25   0 0/      4  4  1  1.875  0 0/      5  5  1  2.5    0 0/      6  6  1  3.125  0 0/      7  7  1  3.75   0 0/      8  8  1  4.375  0 0/      9  9  1  5.0    0 0/     10 10  1  5.625  0 0/     11 11  1  6.25   0 0/     12 12  1  6.875  0 0/     13 13  1  7.5    0 0/     14 14  1  8.125  0 0/     15 15  1  8.75   0 0/     16 16  1  9.375  0 0/     17 17  1  10     0 0/     18 18  1  10.625 0 0/     19 19  1  11.25  0 0/     20 20  1  11.875 0 0

ELEM 1 19  1  1  2 1  111.0E­4 19.9E­6   2.1E5  1.0E5 0.08endg

LAST 3 US3 Vertical forceEGENT  Z 1.0LASTK  1 1 1 0 1.0 0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

                                                                                                                       Figure 51LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1  0 0 0.000RESULT 13 14PRTL   13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (Fz=1 MN)Vertical stifness,X200 pile

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR.  3:   US3 Vertical force

     ******APPLICERAD LASTVEKTOR*******  ***BERÄKNAD DEFORMATIONSVEKTOR****                                            (calculated deformations)NOD    X­KRAFT     Z­KRAFT    Y­MOMENT    X­FÖRSKJ.   Z­FÖRSKJ.     Y­ROT.  1   0.000E+00   0.100E+01   0.000E+00   0.000E+00 0.431E­02   0.000E+00  2   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.408E­02   0.000E+00  3   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.386E­02   0.000E+00  4   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.363E­02   0.000E+00  5   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.341E­02   0.000E+00  6   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.318E­02   0.000E+00  7   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.295E­02   0.000E+00  8   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.273E­02   0.000E+00  9   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.250E­02   0.000E+00 10   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.227E­02   0.000E+00

Page 132: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”123

 11   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.205E­02   0.000E+00 12   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.182E­02   0.000E+00 NOD    X­KRAFT     Z­KRAFT    Y­MOMENT    X­FÖRSKJ.   Z­FÖRSKJ.     Y­ROT. 13   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.159E­02   0.000E+00 14   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.136E­02   0.000E+00 15   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.114E­02   0.000E+00 16   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.910E­03   0.000E+00 17   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.683E­03   0.000E+00 18   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.455E­03   0.000E+00 19   0.000E+00   0.467E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.228E­03   0.000E+00 20   0.000E+00   0.234E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00

2) Horizontal stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, X 200

GEOM   1  20 1  0. 0. 0  10RAND   1  1  1  1  0  1/     20 20  1  0  1  0Add    2  2  1  0.703   0 0/      3  3  1  1.25    0 0/      4  4  1  1.875   0 0/      5  5  1  2.5     0 0/      6  6  1  3.125   0 0/      7  7  1  3.75    0 0/      8  8  1  4.375   0 0/      9  9  1  5.0     0 0/     10 10  1  5.625   0 0/     11 11  1  6.25    0 0/     12 12  1  6.875   0 0/     13 13  1  7.5     0 0/     14 14  1  8.125   0 0/     15 15  1  8.75    0 0/     16 16  1  9.375   0 0/     17 17  1  10      0 0/     18 18  1  10.625  0 0/     19 19  1  11.25   0 0/     20 20  1  11.875  0 0

ELEM  1 19  1  1  2 1  111.0E­4  19.9E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08ENDG

LAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK  1 1  1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1  1  1ENDG

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.01 0 0LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1 0 0 0.0RESULT 13 14PRTL   13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, X 200

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 13:   Horizontal displacement

   ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1 0.312E­01   0.000E+00   0.329E­01  2  ­0.639E­02   0.000E+00   0.000E+00  3  ­0.882E­02   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.890E­02   0.000E+00   0.000E+00

Page 133: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”124

  5  ­0.680E­02   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.387E­02   0.000E+00   0.000E+00  NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  7  ­0.123E­02   0.000E+00   0.000E+00  8   0.521E­03   0.000E+00   0.000E+00  9   0.130E­02   0.000E+00   0.000E+00 10   0.136E­02   0.000E+00   0.000E+00 11   0.102E­02   0.000E+00   0.000E+00 12   0.590E­03   0.000E+00   0.000E+00 13   0.236E­03   0.000E+00   0.000E+00 14   0.188E­04   0.000E+00   0.000E+00 15  ­0.746E­04   0.000E+00   0.000E+00 16  ­0.883E­04   0.000E+00   0.000E+00 17  ­0.656E­04   0.000E+00   0.000E+00 18  ­0.349E­04   0.000E+00   0.000E+00 19  ­0.771E­05   0.000E+00   0.000E+00 20   0.164E­04   0.000E+00   0.000E+00

3) Rotational stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, X200

GEOM 1  20 1  0 0 0 10RAND  1  1  1  1 0 1/    20 20  1  0 1 0Add   2  2  1  0.703  0 0/     3  3  1  1.25   0 0/     4  4  1  1.875  0 0/     5  5  1  2.5    0 0/     6  6  1  3.125  0 0/     7  7  1  3.75   0 0/     8  8  1  4.375  0 0/     9  9  1  5.0    0 0/    10 10  1  5.625  0 0/    11 11  1  6.25   0 0/    12 12  1  6.875  0 0/    13 13  1  7.5    0 0/    14 14  1  8.125  0 0/    15 15  1  8.75   0 0/    16 16  1  9.375  0 0/    17 17  1  10     0 0/    18 18  1  10.625 0 0/    19 19  1  11.25  0 0/    20 20  1  11.875 0 0

ELEM 1 19  1  1  2  1  111.0E­4  19.9E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08ENDGLAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK 1 1 1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1 0 0 0.001RESULT 13 14PRTL 13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, X200

Page 134: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”125

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 14:   Rotational displacement

     ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1   0.329E­02   0.000E+00 0.555E­02  2  ­0.254E­03   0.000E+00   0.000E+00  NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  3  ­0.586E­03   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.797E­03   0.000E+00   0.000E+00  5  ­0.787E­03   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.611E­03   0.000E+00   0.000E+00  7  ­0.371E­03   0.000E+00   0.000E+00  8  ­0.153E­03   0.000E+00   0.000E+00  9  ­0.323E­05   0.000E+00   0.000E+00 10   0.707E­04   0.000E+00   0.000E+00 11   0.862E­04   0.000E+00   0.000E+00 12   0.693E­04   0.000E+00   0.000E+00 13   0.421E­04   0.000E+00   0.000E+00 14   0.183E­04   0.000E+00   0.000E+00 15   0.306E­05   0.000E+00   0.000E+00 16  ­0.393E­05   0.000E+00   0.000E+00 17  ­0.539E­05   0.000E+00   0.000E+00 18  ­0.414E­05   0.000E+00   0.000E+00 19  ­0.198E­05   0.000E+00   0.000E+00 20   0.416E­06   0.000E+00   0.000E+00

PILE X180

1) Vertical stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (Fz=1 MN)Vertical stifness, X 180 pile

GEOM 1  20 1 0 0 0 10RAND  1  1  1  1 0 1/    20 20  1  0 1 0Add   2  2  1  0.703   0 0/     3  3  1  1.25    0 0/     4  4  1  1.875   0 0/     5  5  1  2.5     0 0/     6  6  1  3.125   0 0/     7  7  1  3.75    0 0/     8  8  1  4.375   0 0/     9  9  1  5.0     0 0/    10 10  1  5.625   0 0/    11 11  1  6.25    0 0/    12 12  1  6.875   0 0/    13 13  1  7.5     0 0/    14 14  1  8.125   0 0/    15 15  1  8.75    0 0/    16 16  1  9.375   0 0/    17 17  1  10      0 0/    18 18  1  10.625  0 0/    19 19  1  11.25   0 0/    20 20  1  11.875  0 0

ELEM 1 19  1  1  2 1  80.64E­4 11.62E­6   2.1E5  1.0E5 0.08endgLAST 3 US3 Vertical forceEGENT  Z 1.0LASTK  1 1 1 0 1.0 0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1  0 0 0.000RESULT 13 14PRTL   13 14 13 14 1 1 1SLUT

Page 135: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”126

RESULTS

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR.  3:   US3 Vertical force

     ******APPLICERAD LASTVEKTOR*******  ***BERÄKNAD DEFORMATIONSVEKTOR****(calculated deformations)

NOD    X­KRAFT     Z­KRAFT    Y­MOMENT    X­FÖRSKJ.   Z­FÖRSKJ.     Y­ROT.  1   0.000E+00   0.100E+01   0.000E+00   0.000E+00 0.592E­02   0.000E+00  2   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.561E­02   0.000E+00  3   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.530E­02   0.000E+00  4   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.499E­02   0.000E+00  5   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.468E­02   0.000E+00  6   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.437E­02   0.000E+00  7   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.406E­02   0.000E+00  8   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.375E­02   0.000E+00  9   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.343E­02   0.000E+00 10   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.312E­02   0.000E+00 11   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.281E­02   0.000E+00 12   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.250E­02   0.000E+00 13   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.219E­02   0.000E+00 14   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.187E­02   0.000E+00 15   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.156E­02   0.000E+00 16   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.125E­02   0.000E+00 17   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.938E­03   0.000E+00 18   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.625E­03   0.000E+00 19   0.000E+00   0.340E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.313E­03   0.000E+00 20   0.000E+00   0.170E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00

2) Horizontal stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, X 180

GEOM  1 20   1  0. 0. 0 10RAND  1  1   1  1  0  1/    20 20   1  0  1  0Add   2  2  1  0.703   0 0/     3  3  1  1.25    0 0/     4  4  1  1.875   0 0/     5  5  1  2.5     0 0/     6  6  1  3.125   0 0/     7  7  1  3.75    0 0/     8  8  1  4.375   0 0/     9  9  1  5.0     0 0/    10 10  1  5.625   0 0/    11 11  1  6.25    0 0/    12 12  1  6.875   0 0/    13 13  1  7.5     0 0/    14 14  1  8.125   0 0/    15 15  1  8.75    0 0/    16 16  1  9.375   0 0/    17 17  1  10      0 0/    18 18  1  10.625  0 0/    19 19  1  11.25   0 0/    20 20  1  11.875  0 0

ELEM 1 19  1  1  2 1   80.64E­4  11.62E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08ENDG

LAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK 1  1  1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1ENDG

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.01 0 0LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1 0 0 0.0RESULT 13 14PRTL 13 14 13 14 1 1 1SLUT

Page 136: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”127

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, X 180

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 13:   Horizontal displacement

   ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1 0.252E­01   0.000E+00   0.239E­01  2  ­0.625E­02   0.000E+00   0.000E+00  3  ­0.816E­02   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.750E­02   0.000E+00   0.000E+00  5  ­0.493E­02   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.205E­02   0.000E+00   0.000E+00  7   0.677E­04   0.000E+00   0.000E+00  8   0.109E­02   0.000E+00   0.000E+00  9   0.123E­02   0.000E+00   0.000E+00 10   0.908E­03   0.000E+00   0.000E+00 11   0.480E­03   0.000E+00   0.000E+00 12   0.151E­03   0.000E+00   0.000E+00 13  ­0.241E­04   0.000E+00   0.000E+00 14  ­0.779E­04   0.000E+00   0.000E+00 15  ­0.671E­04   0.000E+00   0.000E+00 16  ­0.375E­04   0.000E+00   0.000E+00 17  ­0.130E­04   0.000E+00   0.000E+00 18   0.121E­06   0.000E+00   0.000E+00 19   0.463E­05   0.000E+00   0.000E+00 20   0.532E­05   0.000E+00   0.000E+00

3) Rotational stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, X180

GEOM  1 20  1  0 0 0 10RAND  1  1  1  1 0 1/    20 20  1  0 1 0Add   2  2  1  0.703  0 0/     3  3  1  1.25   0 0/     4  4  1  1.875  0 0/     5  5  1  2.5    0 0/     6  6  1  3.125  0 0/     7  7  1  3.75   0 0/     8  8  1  4.375  0 0/     9  9  1  5.0    0 0/    10 10  1  5.625  0 0/    11 11  1  6.25   0 0/    12 12  1  6.875  0 0/    13 13  1  7.5    0 0/    14 14  1  8.125  0 0/    15 15  1  8.75   0 0/    16 16  1  9.375  0 0/    17 17  1  10     0 0/    18 18  1  10.625 0 0/    19 19  1  11.25  0 0/    20 20  1  11.875 0 0

ELEM 1 19  1  1  2  1  80.64E­4  11.624E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08

ENDGLAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK 1 1 1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacement

Page 137: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”128

TVDEF 1 0 0 0.001RESULT 13 14PRTL 13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, X180

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 14:   Rotational displacement

     ******APPLICERAD LASTVEKTOR*******  ***BERÄKNAD DEFORMATIONSVEKTOR****                                             (calculated deformations)NOD    X­KRAFT     Z­KRAFT    Y­MOMENT    X­FÖRSKJ.   Z­FÖRSKJ.     Y­ROT.  1  ­0.529E­01   0.000E+00  ­0.186E­01   0.000E+00   0.000E+00   0.100E­02  2   0.529E­01   0.000E+00  ­0.928E­02   0.345E­03   0.000E+00   0.357E­03  3   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.420E­03   0.000E+00  ­0.298E­04  4   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.351E­03   0.000E+00  ­0.203E­03  5   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.233E­03   0.000E+00  ­0.229E­03  6   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.123E­03   0.000E+00  ­0.180E­03  7   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.466E­04   0.000E+00  ­0.110E­03  8   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.508E­05   0.000E+00  ­0.508E­04  9   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.107E­04   0.000E+00  ­0.132E­04 10   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.123E­04   0.000E+00   0.433E­05 11   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.849E­05   0.000E+00   0.878E­05 12   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.417E­05   0.000E+00   0.711E­05 13   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.126E­05   0.000E+00   0.394E­05 14   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.102E­06   0.000E+00   0.145E­05 15   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.467E­06   0.000E+00   0.122E­06 16   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.385E­06   0.000E+00  ­0.324E­06 17   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.204E­06   0.000E+00  ­0.323E­06 18   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.674E­07   0.000E+00  ­0.195E­06 19   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.633E­08   0.000E+00  ­0.971E­07 20   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00  ­0.464E­07   0.000E+00  ­0.658E­07

    ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1   0.239E­02   0.000E+00 0.361E­02  2  ­0.243E­03   0.000E+00   0.000E+00  3  ­0.526E­03   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.659E­03   0.000E+00   0.000E+00  5  ­0.582E­03   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.384E­03   0.000E+00   0.000E+00  7  ­0.175E­03   0.000E+00   0.000E+00  8  ­0.222E­04   0.000E+00   0.000E+00  9   0.537E­04   0.000E+00   0.000E+00 10   0.694E­04   0.000E+00   0.000E+00 11   0.530E­04   0.000E+00   0.000E+00 12   0.287E­04   0.000E+00   0.000E+00 13   0.949E­05   0.000E+00   0.000E+00 14  ­0.830E­06   0.000E+00   0.000E+00 15  ­0.409E­05   0.000E+00   0.000E+00 16  ­0.361E­05   0.000E+00   0.000E+00 17  ­0.204E­05   0.000E+00   0.000E+00 18  ­0.717E­06   0.000E+00   0.000E+00 19   0.712E­07   0.000E+00   0.000E+00 20   0.552E­06   0.000E+00   0.000E+00

PILE Ø219.1x12.5

1) Vertical stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (Fz=1 MN)Vertical stifness, Ø219.1x12.5 pile

GEOM  1 20  1  0 0 0 10RAND  1  1  1  1 0 1/    20 20  1  0 1 0

Page 138: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”129

Add   2  2  1  0.703   0 0/     3  3  1  1.25    0 0/     4  4  1  1.875   0 0/     5  5  1  2.5     0 0/     6  6  1  3.125   0 0/     7  7  1  3.75    0 0/     8  8  1  4.375   0 0/     9  9  1  5.0     0 0/    10 10  1  5.625   0 0/    11 11  1  6.25    0 0/    12 12  1  6.875   0 0/    13 13  1  7.5     0 0/    14 14  1  8.125   0 0/    15 15  1  8.75    0 0/    16 16  1  9.375   0 0/    17 17  1  10      0 0/    18 18  1  10.625  0 0/    19 19  1  11.25   0 0/    20 20  1  11.875  0 0

ELEM 1 19  1  1  2 1  81.13E­4 43.45E­6   2.1E5  1.0E5 0.08endg

LAST 3 US3 Vertical forceEGENT  Z 1.0LASTK  1 1 1 0 1.0 0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1  0 0 0.000RESULT 13 14PRTL   13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (Fz=1 MN)Vertical stifness, Ø219.1x12.5 pile

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR.  3:US3 Vertical force     ******APPLICERAD LASTVEKTOR*******  ***BERÄKNAD DEFORMATIONSVEKTOR****                                             (calculated deformations)NOD    X­KRAFT     Z­KRAFT     Y­MOMENT    X­FÖRSKJ.   Z­FÖRSKJ.    Y­ROT.  1   0.000E+00   0.100E+01   0.000E+00   0.000E+00 0.589E­02   0.000E+00  2   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.558E­02   0.000E+00  3   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.527E­02   0.000E+00  4   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.496E­02   0.000E+00  5   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.465E­02   0.000E+00  6   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.434E­02   0.000E+00  7   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.403E­02   0.000E+00  8   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.372E­02   0.000E+00  9   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.341E­02   0.000E+00 10   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.310E­02   0.000E+00 11   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.279E­02   0.000E+00 12   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.248E­02   0.000E+00 13   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.217E­02   0.000E+00 14   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.186E­02   0.000E+00 15   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.155E­02   0.000E+00 16   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.124E­02   0.000E+00 17   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.932E­03   0.000E+00 18   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.622E­03   0.000E+00 19   0.000E+00   0.342E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.311E­03   0.000E+00 20   0.000E+00   0.171E­03   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00   0.000E+00

2) Horizontal stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, Ø219.1x12.5

Page 139: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”130

GEOM   1 20  1  0. 0. 0  10RAND   1  1  1  1  0  1/     20 20  1  0  1  0Add    2  2  1  0.703   0 0/      3  3  1  1.25    0 0/      4  4  1  1.875   0 0/      5  5  1  2.5     0 0/      6  6  1  3.125   0 0/      7  7  1  3.75    0 0/      8  8  1  4.375   0 0/      9  9  1  5.0     0 0/     10 10  1  5.625   0 0/     11 11  1  6.25    0 0/     12 12  1  6.875   0 0/     13 13  1  7.5     0 0/     14 14  1  8.125   0 0/     15 15  1  8.75    0 0/     16 16  1  9.375   0 0/     17 17  1  10      0 0/     18 18  1  10.625  0 0/     19 19  1  11.25   0 0/     20 20  1  11.875  0 0

ELEM 1 19  1  1  2 1  81.13E­4  43.45E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08ENDG

LAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK 1  1  1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1ENDG

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.01 0 0LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1 0 0 0.0RESULT 13 14PRTL 13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (x=0,01 m)Horizontal stiffness, Ø219.1x12.5

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 13:   Horizontal displacement

    ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1 0.427E­01   0.000E+00   0.524E­01  2  ­0.655E­02   0.000E+00   0.000E+00  3  ­0.964E­02   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.108E­01   0.000E+00   0.000E+00  5  ­0.960E­02   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.704E­02   0.000E+00   0.000E+00  7  ­0.408E­02   0.000E+00   0.000E+00  8  ­0.148E­02   0.000E+00   0.000E+00  9   0.364E­03   0.000E+00   0.000E+00 10   0.136E­02   0.000E+00   0.000E+00 11   0.164E­02   0.000E+00   0.000E+00 12   0.146E­02   0.000E+00   0.000E+00 13   0.106E­02   0.000E+00   0.000E+00 14   0.634E­03   0.000E+00   0.000E+00 15   0.285E­03   0.000E+00   0.000E+00 16   0.533E­04   0.000E+00   0.000E+00 17  ­0.676E­04   0.000E+00   0.000E+00 18  ­0.108E­03   0.000E+00   0.000E+00 19  ­0.103E­03   0.000E+00   0.000E+00 20  ­0.789E­04   0.000E+00   0.000E+00

Page 140: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”131

3) Rotational stiffness

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, Ø219.1x12.5

GEOM   1 20  1  0  0  0 10RAND   1  1  1  1  0  1/     20 20  1  0  1  0Add    2  2  1 0.703   0 0/      3  3  1 1.25    0 0/      4  4  1 1.875   0 0/      5  5  1 2.5     0 0/      6  6  1 3.125   0 0/      7  7  1 3.75    0 0/      8  8  1 4.375   0 0/      9  9  1 5.0     0 0/     10 10  1 5.625   0 0/     11 11  1 6.25    0 0/     12 12  1 6.875   0 0/     13 13  1 7.5     0 0/     14 14  1 8.125   0 0/     15 15  1 8.75    0 0/     16 16  1 9.375   0 0/     17 17  1 10      0 0/     18 18  1 10.625  0 0/     19 19  1 11.25   0 0/     20 20  1 11.875  0 0

ELEM 1 19  1  1  2  1  81.13E­4  43.45E­6  2.1E5  1.0E­5 0.08

ENDGLAST 3 US3 Vertical force from the bridgeEGENT Z 1.0LASTK 1 1 1  0  0  0RESULT 3 3PRTL   3 3 3 3 1 1 1

LAST 13 Horizontal displacementTVDEF 1  0.00 0 0

LAST 14 Rotational displacementTVDEF 1 0 0 0.001RESULT 13 14PRTL 13 14 13 14 1 1 1SLUT

RESULTS

PROGRAM CONTRAM  Ramböll Sverige AB, LuleåPiles for integral abutment bridge (r=0.001)Rotational stifness, Ø219.1x12.5

***RESULTAT FÖR LASTFALL NR. 14:   Rotational displacement

   ***BERÄKNADE UPPLAGSREAKTIONER****           (support reactions)NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT  1   0.524E­02   0.000E+00 0.104E­01  2  ­0.269E­03   0.000E+00   0.000E+00  3  ­0.669E­03   0.000E+00   0.000E+00  4  ­0.100E­02   0.000E+00   0.000E+00  5  ­0.112E­02   0.000E+00   0.000E+00  6  ­0.103E­02   0.000E+00   0.000E+00  7  ­0.795E­03   0.000E+00   0.000E+00  8  ­0.512E­03   0.000E+00   0.000E+00  9  ­0.251E­03   0.000E+00   0.000E+00 10  ­0.548E­04   0.000E+00   0.000E+00 11   0.634E­04   0.000E+00   0.000E+00 12   0.113E­03   0.000E+00   0.000E+00 13   0.115E­03   0.000E+00   0.000E+00 14   0.910E­04   0.000E+00   0.000E+00 15   0.591E­04   0.000E+00   0.000E+00

Page 141: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix C

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”132

 NOD    X­KRAFT      Z­KRAFT    Y­MOMENT16   0.306E­04   0.000E+00   0.000E+00 17   0.999E­05   0.000E+00   0.000E+00 18  ­0.260E­05   0.000E+00   0.000E+00 19  ­0.970E­05   0.000E+00   0.000E+00 20  ­0.145E­04   0.000E+00   0.000E+00

Calculation of spring constants:

The spring constants were calculated according to simple formulas:

­ stiffness of a vertical spring:z

zz

Fk∆

=

Fz – vertical force, equal 1 MN for simpler calculations,z – vertical displacement corresponding with acting force, [m]

kz – vertical spring constant, [MN/m]

­ stiffness of a horizontal spring:x

xx

Fk

∆=

x – given horizontal displacement equal 0.01 [m] for simpler calculations,Fx – horizontal force corresponding with acting pile deformation, [MN]kx– horizontal spring constant, [MN/m]

­ stiffness of rotational spring:r

rr

Fk∆

=

r– given pile top rotation, equal 0.001 [rad] for simpler calculations,M – bending moment corresponding with acting pile deformation, [MNm]kr– rotational spring constant, [MNm]

­ Vertical stiffness

Pile ForceFz [MN]

Displacementz [m]

Spring constantkz [MN/m]

Pile X200 1,0 0,00431 232,02Pile X180 1,0 0,00592 168,92

Pile Ø219.1x12.5 1,0 0,00589 169,78

­ Horizontal stiffness

Pile ForceFx [MN]

Displacementx [m]

Spring constantkx [MN/m]

Pile X200 0,0312 0,01 3,12Pile X180 0,0252 0,01 2,52

Pile Ø219.1x12.5  0,0427 0,01 4,27

­ Rotational stiffness

Pile MomentM [MNm]

Rotationr [­]

Spring constantkr [MNm]

Pile X200 0,00555 0,001 5,55Pile X180 0,00361 0,001 3,61

Pile Ø219.1x12.5  0,0104 0,001 10,40

Page 142: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”133

D. APPENDIX

 Loads

The cross­sections in particular nodes for one beam:hw tw b1 tf1 b2 tf2 H

Node[mm]  [mm]  [mm]  [mm]  [mm]  [mm]  [mm]

2, 9 1177 17 600 25 825 48 12503, 8 1204 18 600 25 825 42 12714, 7 2426 21 600 34 825 40 25005, 6 1191 17 550 25 825 34 1250

Figure 52

Geometry of the girder.For both girders:

Asteel Ssteel ysteel esteelNode[mm2] [mm3] [mm] [mm]

2, 9 149218 64497257  432.2 817.83, 8 142644 67123836  470.6 800.44, 7 208692  230297076  1103.5 1396.55, 6 124094 60475923  487.3 762.7

The cross­section of concrete deck for long­term loads and short­term loads is calculated according to

following formulas:s

effcconcrSTconcr E

EAA ,

, ⋅=  ­ for short­term loads,

s

cconcrLTconcr E

EAA ∞⋅= ,

, ­ for long­term loads,

Asteel Aconcr,ST A SST yST eSTNode[mm2] [mm2] [mm2] [mm3] [mm]  [mm]

2, 9 149218 406349.21  555567.2  65015873  117.0  203.03, 8 142644 406349.21  548993.2  65015873  118.4  201.64, 7 208692 406349.21  615041.2  65015873  105.7  214.35, 6 124094 406349.21  530443.2  65015873  122.6  197.4

tf1

hwH

b2

tf2

ye

x1

x

b1

Page 143: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”134

Asteel Aconcr,LT A SLT YLT ELTNode[mm2] [mm2] [mm2] [mm3] [mm]  [mm]

2, 9 149218 135449.74  284667.7  255481384  897.5  672.53, 8 142644  135449.74 278093.7 260952407 938.4  652.64, 7 208692  135449.74 344141.7 590593372 1716.1 1103.95, 6 124094  135449.74 259543.7 251460050 968.9  601.1

Eccentricities:Node esteel [mm]  eST [mm]  eLT [mm]2, 9 817.8 203.0 672.53, 8 800.4 201.6 652.64, 7 1396.5 214.3 1103.95, 6 762.7 197.4 601.1

1) CastingArea of cross­section of concrete slab:

[ ]22.3 mAconcr =

Own weight of concrete slab:concrconcrconcr Ag γ⋅=

[ ]mMNg concr /08.0=

Own weight of formwork:[ ]mMNg form /0054.0=

2) Barriers[ ]mMNgbarriers /0014.0=

3) Pavement

Materials are taken from Swedish norm Bro 2004.Weight of pavement is 2.52 [kN/m2]

[ ]mMNg pavement /0252.0=

4) Shrinkage

[ ]GPaEc 89.8, =∞  ­ modulus of elasticity of concrete for long­term loads,

][00025.0 −=εεσ ⋅= ∞,cshrinkage E

][22.2 MPashrinkage =σ

][11.72.322.2 MNAF concrshrinkageshr =⋅=⋅= σ

Node F etLT M2 7.111 0.673 ­4.7823 0.000 0.653 0.1414 0.000 1.104 ­3.067

Page 144: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”135

Node F etLT M5 0.000 0.601 0.5086 0.000 0.601 ­0.5087 0.000 1.104 3.0678 0.000 0.653 ­0.1419 ­7.111 0.673 4.782

5) Earth pressureH=  3.5  [m]  ­ height of the abutment,D=  10 [m]  ­ width of the abutment,

Kp= 5.83  [­]  ­ passive earth pressure coefficient,Ko= 0.34  [­]  ­ active earth pressure coefficient,

=  18 [kN/m3]   ­ volumetric density of the soil,

HKp ppass ⋅⋅= γ][29.3675.31883.5 kPap pass =⋅⋅=

HKp oactive ⋅⋅= γ][42.215.31834.0 kPapactive =⋅⋅=

General data:  L=  44.5  [m]   ­ length of the bridge,B=  13 [m]   ­ width of the bridge,

Eccentricities:H = 1.532 [m] ­ the mean value,

32 Hetp ⋅=

etp = 1.021 [m]etp,LT = 0.673 [m]etp,ST = 0.203 [m]

Forces:5.0⋅⋅⋅= BHpF passpass

][428.6 MNFpass =

5.0⋅⋅⋅= BHpF activeactive

][375.0 MNFactive =

( )STtptppasspass eeFM ,−⋅=][258.5 MNmMpass =

( )LTtptpactiveactive eeFM ,−⋅=

][130.0 MNmMactive =

Page 145: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”136

6) Temperature gradient ­5ºC

875.1=bridgeH  [m] – the mean value of the girders height,T = 5 [ºC] ­ the temperature gradient,

bridgegrad H

TT =

Tgrad = 2.67 [ºC/m]

7) Temperature gradient +10ºC

875.1=bridgeH  [m] – the mean value of the girders height,T = ­10 [ºC] ­ the temperature gradient,

bridgegrad H

TT =

Tgrad = ­5.33 [ºC/m]

8) Temperature difference

Steel beams are 10ºC warmer then roadway.][10 CT o=∆  ­ temperature difference,

][210 GPaE =  ­ Young’s modulus for steel,[ ]Co/100001.0=α  ­ thermal coefficient of expansion,

][21 MPaT −=∆σ

Calculation of forces from temperature difference:Asteel esteel eST Fnode  Mnode

Node[m2] [m] [m] [MN]  [MNm]

2 0.149218  0.818 0.203 3.13  ­1.933 0.142644  0.800 0.202 3.00  ­1.794 0.208692  1.396 0.214 4.38  ­5.185 0.124094  0.763 0.197 2.61  ­1.476 0.124094  0.763 0.197 ­2.61  1.477 0.208692  1.396 0.214 ­4.38  5.188 0.142644  0.800 0.202 ­3.00  1.799 0.149218  0.818 0.203 3.13  1.93

9) Traffic loads

The calculation of so­called "filfaktor"C=  5.6 [m]   ­ distance between girders,

Page 146: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”137

FILFAKTOR is the number of axial loads (specified in calculated case) acting on one girder.

* filfaktor for axial loads 210 kN250 kN

4 kN/m2

2000

10000

500

5600RA

A

RB

B

2000

3 kN/m2

1000

170 kN

23004300

53007300

Figure 53

Sketch for filfaktor calculations [mm]0=Σ BM

06,5)5,08,2(170)7,06,5(250 =⋅−+⋅++⋅=Σ AB RM

kNRA 4,381210

3,31703,6250=

⋅+⋅=

filfaktor ][816,1210

4,381−=

* filfaktor for fatigue loads (150 kN and 180 kN)180 kN or 150 kN

4 kN/m2 3 kN/m2

5600

500 2000

A B

10000

53007300

RA RB

Figure 54

Sketch for filfaktor calculations [mm]

 ­ for force 150 kN0=Σ BM

06,5)7,06,5(150 =⋅−+⋅=Σ AB RM

kNRA 75,1686,5

3,6150=

⋅=

filfaktor ][125,1150

75,168−=

Page 147: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix D

Master’s Thesis: “Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”138

 ­ for force 180 kN

0=Σ BM06,5)7,06,5(180 =⋅−+⋅=Σ AB RM

kNRA 5,2026,5

3,6180=

⋅=

filfaktor ][125,1180

5,202−=

Page 148: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix E

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”139

E. APPENDIX

In­data files for calculations of inner forces in bridge members and forcesacting on the abutments.PILE X 200

CONTRAM METER MNBridge over Dalälvenbeams Spv=38.5+47+38.5 m=124m,piles X200

GEOM 1  2 1    0    3.5      0   0/    3  4 1    30.  0       38.5 0/    5  6 1    49.5 0       74.5 0/    7  8 1    85.5 0       94.  0/    9 10 1    124  0      124   3.5RAND  4 4 1 0 1 0/     7 7 1 0 1 0

ADD   1 1  1 3.12  232.02   5.55/     4 4  1 0.    0.       1.E­5/     7 7  1 0.    0.       1.E­5/    10 10 1 3.12  232.02   5.55

!without cooperation

ELEM 1 1  1  1  2 1 4.4  1.  0.32E5  1.0E­5 0.08/    2 2  1  2  3 1  .14 1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    3 4  1  3  4 1  .20 1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    5 5  1  5  6 1  .14 1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    6 7  1  6  7 1  .20 1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    8 8  1  8  9 1  .14 1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    9 9  1  9 10 1 4.4  1.  0.32E5  1.0E­5 0.08

STIF 1 .0587 .0578/    2 .0308 .0794 .566 .0308 .567 .0362 .700 .0412 .800 .0492 .900 .0612/    3 .0794 .2154 .353 .1048 .354 .1322 .588 .1598 .824 .195/    4 .2154 .0640 .136 .1950 .318 .1598 .499 .1222 .500 .1048 .727 .0832/    5 .0640 .0640 .140 .0492 .300 .0396 .500 .0356 .700 .0396 .860 .0492/    6 .0640 .2154 .273 .0832 .500 .1048 .501 .1322 .682 .1598 .864 .1950/    7 .2154 .0794 .176 .1950 .412 .1598 .646 .1322 .647 .1048/    8 .0794 .0308 .100 .0612 .200 .0492 .300 .0412 .433 .0362 .434 .0308/    9 .0587 .0587ENDGLast 1 US1 own weight of steel beams without cooperation *1.0egent Z 1.10 !10% additionally for stiffeners and cross­beams

Last 2 US2  casting slab stage 1 1*1.0Lastf  2 2 1  .08    0.  0.  1.  !concrete slablastf  2 2 1  .0054  0.  0.  1.  !formwork

RESULT 1 2PRTL   1 0 0 3 1 1

! casting 2

ELEM  2 2 1 2 3 1 .12 1. 2.1E5 1.0E­5 0.08STIF  2 .0776 .1774 .566 .0776 .567 .0904 .700 .1008 .800 .1172 .900 .1416ENDG

LAST 3 US3 Casting slab stage 2  *1.0LASTF  5 5 1 .0800  0.  0.  1.  !concrete slabLASTF  5 5 1 .0054  0.  0.  1.  !formwork

RESULT 3 3PRTL   3 3 0 0 3 1 1

! casting 3

ELEM  5 5 1 5 6 1 .12 1. 2.1E5 1.0E­5 0.08STIF  5 .1470 .1470 .140 .1172 .300 .0974 .500 .0890 .700 .0974 .860 .1172

Page 149: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix E

Master’s Thesis:”Integral Abutments”140

ENDG

LAST 4 US4 Casting slab stage 3 *1.0LASTF  3 4 1 .0800  0.  0.  1.  !concrete slabLASTF  3 4 1 .0054  0.  0.  1.  !formwork

RESULT 4 4PRTL   4 4 0 0 3 1 1

! casting 4

ELEM  3 4 1 3 4 1 .14 1. 2.1E5 1.0E­5 0.08STIF  3 .1500 .3464 .353 .1920 .354 .2224 .588 .2640 .824 .3162STIF  4 .3464 .1242 .136 .3162 .318 .2460 .499 .2224 .500 .1920 .727 .1564ENDG

LAST 5 US5 Casting slab  stage 4 *1.0LASTF  8 8 1 .0800   0.  0.  1.  !concrete slabLASTF  8 8 1 .00254  0.  0.  1.  !formwork

RESULT 5 5PRTL   5 5 0 0 3 1 1

! casting 5

ELEM  8 8 1 8 9 1 .12 1. 2.1E5 1.0E­5 0.08STIF  8 .1774 .0776 .100 .1416 .200 .1172 .300 .1008 .433 .0904 .434 .0776ENDG

LAST 6 US6 Casting slab  stage 5 *1.0LASTF  6 7 1 .0800  0.  0.  1.  !concrete slabLASTF  6 7 1 .0054  0.  0.  1.  !formwork

RESULT 6 6PRTL   6 6 0 0 3 1 1

! Long term loads

ELEM  6 7 1 6 7 1 .14 1. 2.1E5 1.0E­5 0.08STIF  6 .1242 .3464 .273 .1564 .500 .1920 .501 .2224 .682 .2640 .864 .3162STIF  7 .3464 .500 .176 .3162 .412 .2640 .646 .2224 .647 .1920ENDG

LAST 7 LT3    Earth pressureLASTK   2   2  1  6.053  0   5.128/       9   9  1 –6.053  0  ­5.128RESULT 7 7PRTL   7 7 0 0 3 1 1

LAST 19 sum of own weight oif concrete slab form load cases 2­6LSUM 19 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1.PRTL 19 19 1 1 3 1 1

LAST 21 US21 taking off formwork+railings *1.0LASTF 2  8  1   .014  0.  0  1 ! railings/     2  8  1  ­.0054 0.  0  1 ! taking offRESULT 21 21PRTL   21 21 0 0 3 1 1

LAST 22 LT1 Pavement *1.0LASTF  2 8 1  .0252   0.  0.  1.RESULT 22 22PRTL 22 22 0 0 3 1 1

LAST 23 KR1 Shrinkage *1.0LASTK  2 2 1  7.11  0.  ­4.782/      3 3 1  0.    0.   0.141/      4 4 1  0.    0.  ­3.067/      5 5 1  0.    0.   0.508/      6 6 1  0.    0.  ­0.508/      7 7 1  0.    0.   3.067/      8 8 1  0.    0.  ­0.141/      9 9 1 ­7.11  0.   4.782RESULT 23 23PRTL   23 23 0 0 3 1 1

Page 150: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix E

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”141

LAST 25 OV1 Överhojning (LAST 1­6+21­23)LSUM 25 1 1. 2 1. 3 1. 4 1. 5 1. 6 1. 21 1. 22 1. 23 1.PRTL 25 25 0 0 0 1 1

ELEM 1 1  1  1  2 1  4.4  1.  0.32E5  1.0E­5 0.08/    2 2  1  2  3 1  .48  1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    3 4  1  3  4 1  .42  1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    5 5  1  5  6 1  .48  1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    6 7  1  6  7 1  .42  1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    8 8  1  8  9 1  .48  1.  2.1E5   1.0E­5 0.08/    9 9  1  9 10 1  4.4  1.  0.32E5  1.0E­5 0.08

STIF  2 .1024 .2402 .566 .1024 .567 .1222 .700 .1364 .800 .1586 .900 .1916/     3 .2112 .4830 .353 .2706 .354 .3116 .588 .3692 .824 .4414/     4 .4830 .1756 .136 .4414 .318 .3692 .499 .3116 .500 .2706 .727 .2206/     5 .1990 .1990 .140 .1586 .300 .1318 .500 .1204 .700 .1318 .860 .1586/     6 .1756 .4830 .273 .2206 .500 .2706 .501 .3116 .682 .3692 .864 .4414/     7 .4830 .2118 .176 .4414 .412 .3692 .646 .3116 .647 .2706/     8 .2402 .1024 .100 .1916 .200 .1586 .300 .1364 .433 .1222 .434 .1024ENDG

LAST 31 KT1 Temperature gradient ­5 C deg *1.0LASTT 2 8 1  0.  2.67LAST 32 Temperature gradient +10 C deg  * 1.0LASTT 2 8 1  0. ­5.33LAST 33 KT2 Temperature difference 10 C deg higher steel temp * 1.0LASTK 2  2  1   3.13   0.  ­1.92/     3  3  1   3.00   0.  ­1.79/     4  4  1   4.38   0.  ­5.18/     5  5  1   2.61   0.  ­1.48/     6  6  1  ­2.61   0.   1.48/     7  7  1  ­4.38   0.   5.18/     8  8  1  ­3.00   0.   1.79/     9  9  1  ­3.13   0.   1.92LAST 34 Temperature difference 10 C deg lower steel temperature * 1.0LKOMB 33 ­1RESULT 31 34 1PRTL   31 34 0 0 3 1

! UTMATTNINGSLAST

FILFAKT 1   0. 1.125  124.  1.125ENDGLSTGRP 1 AXELTRYCK 2*(150+180)*FILF*1.0LASTR 2 .180    0.   2./     2 .150    8.   9.5LSTGRP 2 AXELTRYCK 2*(150+180)*FILF*1.0LASTR 2 .150    0.   1.5/     2 .180    7.5  9.5LSTGRP 3 AXELTRYCK 2*(150+180)*FILF*1.0LASTR 2 .180    0.   2./     2 .150   33.  34.5LSTGRP 4 AXELTRYCK 2*(150+180)*FILF*1.0LASTR 2 .150    0.   1.5/     2 .180   32.5 34.5GRUPP 2000 7  0 0 1  ­10GRUPP 2000 7  0 1 2  ­10GRUPP 2000 7  0 1 3  ­35GRUPP 2000 7  0 1 4  ­35PRTMM 1 0 0 0 1 1 UTM Utmattningslast

! EKV.LAST 1

FILFAKT 1   0. 1.816  124. 1.816ENDGLSTGRP 1 AXELTRYCK 3*0.21*FILF*1.0LASTR 2 .210   0.  1.5/     1 .210   7.5LSTGRP 2 AXELTRYCK 3*0.21*FILF*1.0LASTR 2 .210   0.  6./     1 .210   7.5LSTGRP 3 AXELTRYCK 3*0.21*FILF*1.0LASTR 2 .210   0.  1.5/     1 .210   34.5LSTGRP 4 AXELTRYCK 3*0.21*FILF*1.0

Page 151: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix E

Master’s Thesis:”Integral Abutments”142

LASTR 2 .210   0.  33./     1 .210   34.5GRUPP 2000 7  0 0 1  ­8GRUPP 2000 7  0 1 2  ­8GRUPP 2000 7  0 1 3  ­35GRUPP 2000 7  0 1 4  ­35PRTMM 1 0 0 0 1 1 NK1 AXELTRYCK 0.21*FILF*1.0

!FILLAST(??)

FILFAKT 1   0.  2.125   124.  2.125ENDGINTEGQ 2 8 0 .009PRTMM 2 0 0 0 1 1 NK2 FILLAST*FILF*1.0 MN/M

!MMSUM 0 0 0 0 1.5 1.5!PRTMM 3 0 0 0 1 1 TRAFIKLAST *1.5!SELECT 2 31 0 32 0 33 0 34 0!FKOMB  23  23  1  1!MMSUM  0  0  0    1  0  1!MMSUM  1  6  1.0  1  0  1!MMSUM 21 21  1.0  1  0  0!MMSUM 22 22  1.0  1  0  0!PRTMM 3 0 0 0 1 1 SUMMA LASTKOMBINATION IV:ASLUT

The main in­data file is the same for all three pile types. The only difference are the values of constants of sringsupports.

For pile X 180 the opart of in­data file responsible for spring supports definition will look as follows:

ADD   1 1  1  2.52        168.92   3.61/     4 4  1  0.            0.     1.E­5/     7 7  1  0.            0.     1.E­5/    10 10 1  2.52        168.92   3.61

For pile Ø 219.1x12.5  the opart of in­data file responsible for spring supports definition will look as follows

ADD   1 1  1  4.27  169.78  10.4/     4 4  1  0.      0.     1.E­5/     7 7  1  0.      0.     1.E­5/    10 10 1  4.27  169.78  10.4

Simplified bridge model in programme CONTRAM:

Figure 55

Simplified CONTRAM bridge model

Page 152: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”143

F. APPENDIXIn­data files for piles calculationsPILE X 200

Combination IV:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile X200, combination IV:AGEOM 1 1 1  0.0000 0/   2  2 1  0.0006 0.1/   3  3 1  0.0012 0.2/   4  4 1  0.0018 0.3/   5  5 1  0.0023 0.4/   6  6 1  0.0028 0.5/   7  7 1  0.0032 0.6/   8  8 1  0.0035 0.7/   9  9 1  0.0037 0.8/  10 10 1  0.0038 0.9/  11 11 1  0.0039 1/  12 12 1  0.0038 1.1/  13 13 1  0.0036 1.2/  14 14 1  0.0034 1.3/  15 15 1  0.0030 1.4/  16 16 1  0.0026 1.5/  17 17 1  0.0021 1.6/  18 18 1  0.0016 1.7/  19 19 1  0.0010 1.8/  20 20 1  0.0004 1.9/  21 21 1 ­0.0002 2/  22 22 1 ­0.0009 2.1/  23 23 1 ­0.0014 2.2/  24 24 1 ­0.0020 2.3/  25 25 1 ­0.0025 2.4/  26 26 1 ­0.0029 2.5/  27 27 1 ­0.0033 2.6/  28 28 1 ­0.0036 2.7/  29 29 1 ­0.0038 2.8/  30 30 1 ­0.0038 2.9/  31 31 1 ­0.0038 3/  32 32 1 ­0.0037 3.1/  33 33 1 ­0.0035 3.2/  34 34 1 ­0.0032 3.3/  35 35 1 ­0.0029 3.4/  36 36 1 ­0.0024 3.5/  37 37 1 ­0.0019 3.6/  38 38 1 ­0.0013 3.7/  39 39 1 ­0.0007 3.8/  40 40 1 ­0.0001 3.9/  41 41 1  0.0005 4/  42 42 1  0.0011 4.1/  43 43 1  0.0017 4.2/  44 44 1  0.0022 4.3/  45 45 1  0.0027 4.4/  46 46 1  0.0031 4.5/  47 47 1  0.0034 4.6/  48 48 1  0.0037 4.7/  49 49 1  0.0038 4.8/  50 50 1  0.0039 4.9/  51 51 1  0.0038 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0

/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0/  16  16 1 0.375   0 0/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  111.0E­4 19.9E­6   2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations according to II orders theory, max forceORD2LASTK 1 0 0  0 0.796TVDEF 1  ­0.0573 0 ­0.0159

LAST 4 Calculations according to II orders theory, maxdisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.65 0TVDEF 1  ­0.068 0 ­0.0195

LAST 5 Calculations according to II orders theory, mindisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.49 0TVDEF 1 0.02578 0 ­0.0122RESULT 1 5PRTL   1 5 0 0 2SLUT

Page 153: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis:”Integral Abutments”144

Combination V:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile X200, combination V:AGEOM  1 1  1  0.0 0/    2  2  1  0.0 0.1/    3  3  1  0.0 0.2/    4  4  1  0.0 0.3/    5  5  1  0.0 0.4/    6  6  1  0.0 0.5/    7  7  1  0.0 0.6/    8  8  1  0.0 0.7/    9  9  1  0.0 0.8/   10 10  1  0.0 0.9/   11 11  1  0.0 1/   12 12  1  0.0 1.1/   13 13  1  0.0 1.2/   14 14  1  0.0 1.3/   15 15  1  0.0 1.4/   16 16  1  0.0 1.5/   17 17  1  0.0 1.6/   18 18  1  0.0 1.7/   19 19  1  0.0 1.8/   20 20  1  0.0 1.9/   21 21  1  0.0 2/   22 22  1  0.0 2.1/   23 23  1  0.0 2.2/   24 24  1  0.0 2.3/   25 25  1  0.0 2.4/   26 26  1  0.0 2.5/   27 27  1  0.0 2.6/   28 28  1  0.0 2.7/   29 29  1  0.0 2.8/   30 30  1  0.0 2.9/   31 31  1  0.0 3/   32 32  1  0.0 3.1/   33 33  1  0.0 3.2/   34 34  1  0.0 3.3/   35 35  1  0.0 3.4/   36 36  1  0.0 3.5/   37 37  1  0.0 3.6/   38 38  1  0.0 3.7/   39 39  1  0.0 3.8/   40 40  1  0.0 3.9/   41 41  1  0.0 4/   42 42  1  0.0 4.1/   43 43  1  0.0 4.2/   44 44  1  0.0 4.3/   45 45  1  0.0 4.4/   46 46  1  0.0 4.5/   47 47  1  0.0 4.6/   48 48  1  0.0 4.7/   49 49  1  0.0 4.8/   50 50  1  0.0 4.9/   51 51  1  0.0 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0

ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0/  16  16 1 0.375   0 0

/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  111.0E­4 19.9E­6   2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations, max forceLASTK 1 0 0  0 0.6577TVDEF 1  ­0.0573 0 ­0.0158

LAST 4 Calculations, max displacementLASTK 1 0 0  0 0.57 0TVDEF 1  ­0.0662 0 ­0.0184

LAST 5 Calculations, min displacementLASTK 1 0 0  0 0.48 0TVDEF 1 0.02083 0 ­0.0125RESULT 1 5PRTL   1 5 0 0 2SLUT

Page 154: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”145

PILE X 180

Combination IV:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile X180,combination IV:AGEOM  1 1  1  0.0000   0/    2  2  1  0.000614 0.1/    3  3  1  0.001210 0.2/    4  4  1  0.001768 0.3/    5  5  1  0.002272 0.4/    6  6  1  0.002706 0.5/    7  7  1  0.003058 0.6/    8  8  1  0.003315 0.7/    9  9  1  0.003471 0.8/   10 10  1  0.00352  0.9/   11 11  1  0.003461 1/   12 12  1  0.003296 1.1/   13 13  1  0.00303  1.2/   14 14  1  0.002671 1.3/   15 15  1  0.002229 1.4/   16 16  1  0.00172  1.5/   17 17  1  0.001157 1.6/   18 18  1  0.000559 1.7/   19 19  1 ­0.000056 1.8/   20 20  1 ­0.00067  1.9/   21 21  1 ­0.00126  2/   22 22  1 ­0.00182  2.1/   23 23  1 ­0.00231  2.2/   24 24  1 ­0.00274  2.3/   25 25  1 ­0.00308  2.4/   26 26  1 ­0.00333  2.5/   27 27  1 ­0.00348  2.6/   28 28  1 ­0.00352  2.7/   29 29  1 ­0.00345  2.8/   30 30  1 ­0.00328  2.9/   31 31  1 ­0.003    3/   32 32  1 ­0.00263  3.1/   33 33  1 ­0.00219  3.2/   34 34  1 ­0.00167  3.3/   35 35  1 ­0.0011   3.4/   36 36  1 ­0.0005   3.5/   37 37  1  0.00011  3.6/   38 38  1  0.000723 3.7/   39 39  1  0.001313 3.8/   40 40  1  0.001863 3.9/   41 41  1  0.002356 4/   42 42  1  0.002776 4.1/   43 43  1  0.003111 4.2/   44 44  1  0.003351 4.3/   45 45  1  0.003488 4.4/   46 46  1  0.003517 4.5/   47 47  1  0.003439 4.6/   48 48  1  0.003255 4.7/   49 49  1  0.002972 4.8/   50 50  1  0.002597 4.9/   51 51  1  0.002142 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0

ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0

/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0/  16  16 1 0.375   0 0/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  80.64E­4 11.62E­6  2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations according to II orders theory, max forceORD2LASTK 1 0 0  0 0.79367 0TVDEF 1  ­0.05845 0 ­0.01578

LAST 4 Calculations according to II orders theory, maxdisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.68 0TVDEF 1  ­0.06346 0 ­0.01565

LAST 5 Calculations according to II orders theory, mindisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.49 0TVDEF 1 0.010124 0 ­0.01301RESULT 1 5PRTL   1 5 0 0 2SLUT

Page 155: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis:”Integral Abutments”146

Combination V:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile X180,combination V:AGEOM  1 1  1  0.0 0/    2  2  1  0.0 0.1/    3  3  1  0.0 0.2/    4  4  1  0.0 0.3/    5  5  1  0.0 0.4/    6  6  1  0.0 0.5/    7  7  1  0.0 0.6/    8  8  1  0.0 0.7/    9  9  1  0.0 0.8/   10 10  1  0.0 0.9/   11 11  1  0.0 1/   12 12  1  0.0 1.1/   13 13  1  0.0 1.2/   14 14  1  0.0 1.3/   15 15  1  0.0 1.4/   16 16  1  0.0 1.5/   17 17  1  0.0 1.6/   18 18  1  0.0 1.7/   19 19  1  0.0 1.8/   20 20  1  0.0 1.9/   21 21  1  0.0 2/   22 22  1  0.0 2.1/   23 23  1  0.0 2.2/   24 24  1  0.0 2.3/   25 25  1  0.0 2.4/   26 26  1  0.0 2.5/   27 27  1  0.0 2.6/   28 28  1  0.0 2.7/   29 29  1  0.0 2.8/   30 30  1  0.0 2.9/   31 31  1  0.0 3/   32 32  1  0.0 3.1/   33 33  1  0.0 3.2/   34 34  1  0.0 3.3/   35 35  1  0.0 3.4/   36 36  1  0.0 3.5/   37 37  1  0.0 3.6/   38 38  1  0.0 3.7/   39 39  1  0.0 3.8/   40 40  1  0.0 3.9/   41 41  1  0.0 4/   42 42  1  0.0 4.1/   43 43  1  0.0 4.2/   44 44  1  0.0 4.3/   45 45  1  0.0 4.4/   46 46  1  0.0 4.5/   47 47  1  0.0 4.6/   48 48  1  0.0 4.7/   49 49  1  0.0 4.8/   50 50  1  0.0 4.9/   51 51  1  0.0 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0

ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0/  16  16 1 0.375   0 0

/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  80.64E­4 11.62E­6  2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations, max forceORD2LASTK 1 0 0  0 0.73565 0TVDEF 1  ­0.05865 0 ­0.01578

LAST 4 Calculations, max displacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.57 0TVDEF 1  ­0.06362 0 ­0.01565

LAST 5 Calculations, min displacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.48 0TVDEF 1 0.01445 0 ­0.01326RESULT 1 5PRTL   1 5 0 0 2SLUT

Page 156: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”147

PILE Ø219.1x12.5

Combination IV:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile PIPE, combination IV:AGEOM  1 1 1  0.0000   0/   2  2  1  0.000929 0.1/   3  3  1  0.001842 0.2/   4  4  1  0.002721 0.3/   5  5  1  0.003551 0.4/   6  6  1  0.004317 0.5/   7  7  1  0.005004 0.6/   8  8  1  0.005601 0.7/   9  9  1  0.006096 0.8/  10 10  1  0.00648  0.9/  11 11  1  0.006748 1/  12 12  1  0.006893 1.1/  13 13  1  0.006913 1.2/  14 14  1  0.006808 1.3/  15 15  1  0.006579 1.4/  16 16  1  0.006231 1.5/  17 17  1  0.005771 1.6/  18 18  1  0.005205 1.7/  19 19  1  0.004546 1.8/  20 20  1  0.003804 1.9/  21 21  1  0.002993 2/  22 22  1  0.002128 2.1/  23 23  1  0.001224 2.2/  24 24  1  0.000298 2.3/  25 25  1 ­0.00063  2.4/  26 26  1 ­0.00155  2.5/  27 27  1 ­0.00244  2.6/  28 28  1 ­0.00329  2.7/  29 29  1 ­0.00408  2.8/  30 30  1 ­0.00479  2.9/  31 31  1 ­0.00542  3/  32 32  1 ­0.00595  3.1/  33 33  1 ­0.00637  3.2/  34 34  1 ­0.00668  3.3/  35 35  1 ­0.00686  3.4/  36 36  1 ­0.00692  3.5/  37 37  1 ­0.00685  3.6/  38 38  1 ­0.00667  3.7/  39 39  1 ­0.00636  3.8/  40 40  1 ­0.00593  3.9/  41 41  1 ­0.0054   4/  42 42  1 ­0.00477  4.1/  43 43  1 ­0.00405  4.2/  44 44  1 ­0.00326  4.3/  45 45  1 ­0.00241  4.4/  46 46  1 ­0.00152  4.5/  47 47  1 ­0.0006   4.6/  48 48  1  0.000335 4.7/  49 49  1  0.001261 4.8/  50 50  1  0.002163 4.9/  51 51  1  0.003026 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0

ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0

/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0/  16  16 1 0.375   0 0/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  81.13E­4 43.45E­6  2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations according to II orders theory, max forceORD2LASTK 1 0 0  0 0.8063 0TVDEF 1  ­0.0463 0 ­0.0151

LAST 4 Calculations according to II orders theory, maxdisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.71 0TVDEF 1  ­0.0555 0 ­0.0152

LAST 5 Calculations according to II orders theory, mindisplacementORD2LASTK 1 0 0  0 0.48 0TVDEF 1 0.0361 0 ­0.0119

RESULT 1 6PRTL   1 6 0 0 2SLUT

Page 157: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix F

Master’s Thesis:”Integral Abutments”148

Combination V:A

CONTRAM METER MNPiles for integral abutment bridgePile PIPE, Combination VA

GEOM  1 1  1  0.0 0/    2  2  1  0.0 0.1/    3  3  1  0.0 0.2/    4  4  1  0.0 0.3/    5  5  1  0.0 0.4/    6  6  1  0.0 0.5/    7  7  1  0.0 0.6/    8  8  1  0.0 0.7/    9  9  1  0.0 0.8/   10 10  1  0.0 0.9/   11 11  1  0.0 1/   12 12  1  0.0 1.1/   13 13  1  0.0 1.2/   14 14  1  0.0 1.3/   15 15  1  0.0 1.4/   16 16  1  0.0 1.5/   17 17  1  0.0 1.6/   18 18  1  0.0 1.7/   19 19  1  0.0 1.8/   20 20  1  0.0 1.9/   21 21  1  0.0 2/   22 22  1  0.0 2.1/   23 23  1  0.0 2.2/   24 24  1  0.0 2.3/   25 25  1  0.0 2.4/   26 26  1  0.0 2.5/   27 27  1  0.0 2.6/   28 28  1  0.0 2.7/   29 29  1  0.0 2.8/   30 30  1  0.0 2.9/   31 31  1  0.0 3/   32 32  1  0.0 3.1/   33 33  1  0.0 3.2/   34 34  1  0.0 3.3/   35 35  1  0.0 3.4/   36 36  1  0.0 3.5/   37 37  1  0.0 3.6/   38 38  1  0.0 3.7/   39 39  1  0.0 3.8/   40 40  1  0.0 3.9/   41 41  1  0.0 4/   42 42  1  0.0 4.1/   43 43  1  0.0 4.2/   44 44  1  0.0 4.3/   45 45  1  0.0 4.4/   46 46  1  0.0 4.5/   47 47  1  0.0 4.6/   48 48  1  0.0 4.7/   49 49  1  0.0 4.8/   50 50  1  0.0 4.9/   51 51  1  0.0 5

RAND  1  1 1 1 0 1/    51 51 1 0 1 0

ADD 1   1 1 0       0 0/   2   2 1 0.025   0 0/   3   3 1 0.05    0 0/   4   4 1 0.075   0 0/   5   5 1 0.1     0 0/   6   6 1 0.125   0 0/   7   7 1 0.15    0 0/   8   8 1 0.175   0 0/   9   9 1 0.2     0 0/  10  10 1 0.225   0 0/  11  11 1 0.25    0 0/  12  12 1 0.275   0 0/  13  13 1 0.3     0 0/  14  14 1 0.325   0 0/  15  15 1 0.35    0 0

/  16  16 1 0.375   0 0/  17  17 1 0.4     0 0/  18  18 1 0.425   0 0/  19  19 1 0.45    0 0/  20  20 1 0.475   0 0/  21  21 1 0.5     0 0/  22  22 1 0.525   0 0/  23  23 1 0.55    0 0/  24  24 1 0.575   0 0/  25  25 1 0.6     0 0/  26  26 1 0.625   0 0/  27  27 1 0.65    0 0/  28  28 1 0.675   0 0/  29  29 1 0.7     0 0/  30  30 1 0.725   0 0/  31  31 1 0.75    0 0/  32  32 1 0.775   0 0/  33  33 1 0.8     0 0/  34  34 1 0.825   0 0/  35  35 1 3       0 0/  36  36 1 3       0 0/  37  37 1 3       0 0/  38  38 1 3       0 0/  39  39 1 3       0 0/  40  40 1 3       0 0/  41  41 1 3       0 0/  42  42 1 1.8     0 0/  43  43 1 1.8     0 0/  44  44 1 1.8     0 0/  45  45 1 1.8     0 0/  46  46 1 1.8     0 0/  47  47 1 1.8     0 0/  48  48 1 1.8     0 0/  49  49 1 1.8     0 0/  50  50 1 1.8     0 0/  51  51 1 1.8     0 0

ELEM 1 50  1  1  2 1  81.13E­4 43.45E­6  2.1E5  1.0E5 0.08ENDG

LAST 1 10 mm förskjutningLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 ­0.01

LAST 2 10 promille rotationLASTK 1 0 0  0 0.600TVDEF 1 0 0 ­0.01

LAST 3 Calculations, max forceLASTK 1 0 0  0 0.7484 0TVDEF 1  ­0.046 0 ­0.015

LAST 4 Calculations, max displacementLASTK 1 0 0  0 0.68 0TVDEF 1  ­0.0578 0 ­0.0172

LAST 5 Calculations, min displacementLASTK 1 0 0  0 0.48 0TVDEF 1 0.01807 0 ­0.0123

RESULT 1 5PRTL   1 5 0 0 2SLUT

Page 158: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix G

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”149

G. APPENDIX

Explanation of commends used in program CONTRAM.

Units: meter, MN.• Nodes

GEOM  na  nb  incn xa  za  xb  zb  nc  gl

na,nb,incn­  nodes na, na+incn,na+2incn… .nbxa,za ­ coordinates of node na,xb,zb ­ coordinates of node nb,

Graphical ilustration:

Z

Y Xnana+incn

na+2~incn

na+incnna

nb

nb

nc

na

na

• Supports

RAND na  nb   inc  tx  tz  ty  rot

na,nb,inc­  support conditions for nodes na, na+inc, na+2inc,… ,nb

tx=1 ­ support in X ­ direction,tx=0 ­ no support,

tz=1­ support in Z ­ direction,tz=0 ­ no support,

ry=1 ­ support inry=0 ­ no

rot ­ rotation positiv around Y­axis relatively to global coordinate system for modes of local coordinate system,

Page 159: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix G

Master’s Thesis:”Integral Abutments”150

• Spring supports

ADD   na  nb  inc  addx addz addr rot

na,nb,inc­  support conditions for nodes na, na+inc, na+2inc,… ,nbaddx ­ spring constant for translation in X­direction,addz ­ spring constant for translation in Z­direction,addy ­ spring constant for rotation around Y­axis,

rot ­ rotation positiv around Y­axis relatively to global coordinate system for modes of local coordinate system,

• Elements

ELEM  ea  eb  ince i    j incn a  tm  emod alfaea,eb,inc ­ elements ea,ea+ince,ea+2ince,… ,nb

i,j,incn ­ element allot nodes (i,j),(i+incnc,j+incn),(i+2incn,j+2incn), etc.,a ­ area of the cross­section,

tm ­ moment of inertia,emod ­ Young's modulus,

alfa ­ thermal coefficient of expansion,

• Stiffness of elements

STIF   en  ria rib  x1  ri1  x2 ri2 … .  xk  rik  (kmax=15)en ­ number of beam element,

ria, rib ­ moment of inertia at the ends of beam element,x1, x2… xk­ local relative x­coordinators for intermediate points,

ri1..rik ­ moments of inertia for intermediate points,

• Distributed loads

LAST ­ load case: number and description,

LASTF  ea  eb  ince p  dp  xa  xb  m dmea,eb,ince ­ loaded elements ea,ea+ince,ea+2ince,… ,eb,

p ­ intensity of the load which is acting in point xa,dp ­ p+dp= intensity of the loas in point xb,xa ­ relative distance from "inod" to the nearest load,xb ­ relative distance from "inod" to the farest load,

ria ribrikri2ri1

x1*lx2*l

xk*l

l

Page 160: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix G

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”151

m ­ moment intensity in point xa,dm ­ m+dm = moment intensity in point xb,

• Point loads

LASTK  na  nb  inc  px  px  myna,nb,inc ­ loaded points na, na+inc,na+2inc,… ,nb,

px ­ force in global X direction (or local x direction with rotated local coordinate system)pz ­ force in global Z direction (or local z direction with rotated local coordinate system)

my ­ moment around Y axis,

• Internal forces : sign convention

l

xb*l

Y

xa*l

pm m+dm

p+dp

X

Z

Y

Pz

MyX

Px Px My

Pz

Px My

Pz

N(+)

M(+) T(+) T(+) M(+)

N(+)

Page 161: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

Appendix G

Master’s Thesis:”Integral Abutments”152

Page 162: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of figures

Master’s Thesis: ” Optimized design of integral abutments for a 3 span composite bridge”153

List of figures:

Figure 1 Enlarged details of fully integral bridge and semi­integral bridge.......................................... 1Figure 2 Simplified geometry of an integral abutment bridge.............................................................. 2Figure 3 Thermal displacements of the load carrying structure ........................................................... 3Figure 4 Pile configuration in the bridge over Fjällån ......................................................................... 6Figure 5 Anchorage of a beam to the pile cap with an elastomeric pad...............................................  7Figure 6 Anchorage of a beam to the pie cap with duble nuts.............................................................. 7Figure 7 The detail of pile­abutment connection used in Scotch Road Bridge ..................................... 8Figure 8 Alternate jointless bridge detail for steel beam bridge  .......................................................... 8Figure 9 Installation of the sleeved HP piles within the crushed stoned backfill .................................10Figure 10 Happy Hollow Creek.........................................................................................................11Figure 11 Big East River Bridge........................................................................................................11Figure 12 Highway 518 Parry Sound.................................................................................................12Figure 13 Duffin Creek Bridge..........................................................................................................12Figure 14 Bridge over Fjällån after completion..................................................................................13Figure 15 Bridge W1299 over Hökviksån in Linghed........................................................................14Figure 16 Cross­section of X pile ......................................................................................................14Figure 17 The example of integral structure – monolithic concrete frame flyover ..............................15Figure 18 Bridge over Tarczynka River.............................................................................................15Figure 19 Bridge over Srebrna River .................................................................................................15Figure 20 Composite flyover in Wyszogród ......................................................................................16Figure 21 One of the flyovers on the Ostrowia Mazowiecka ring road ...............................................16Figure 22 The North Shotton Bridge .................................................................................................17Figure 23 Equivalent cantilever concept ............................................................................................20Figure 24 Beam on the elastic foundation and Winkler’s idealization ................................................23Figure 25 Laterally loaded pile in soil, laterally loaded pile on springs  .............................................23Figure 26 Soil reaction versus deflection for soil surrounding a pile ..................................................25Figure 27 Variation of subgrade modulus with depth for preloaded cohesive soils .............................25Figure 28 Variation of subgrade modulus with depth for granular soils , normally loaded silts and

clays .........................................................................................................................................26Figure 29 Perfectly elastic and rigid­perfectly plastic behaviour of the pile........................................30Figure 30 Pile model for simplified calculations ................................................................................31Figure 31 Piles cross­sections............................................................................................................31Figure 32 Location of the bridge .......................................................................................................37Figure 33 Bridge scheme...................................................................................................................38Figure 34 One of bridge cross­sections..............................................................................................39Figure 35 Abutment schetch..............................................................................................................39Figure 36 Pile CONTRAM model.....................................................................................................42Figure 37 Used piles cross­sections. ..................................................................................................47Figure 38 BridgeSOFiSTiK model ....................................................................................................73Figure 39 The view for the bridge deck geometry..............................................................................74Figure 40 SOFiSTiK pile model........................................................................................................74Figure 41 Middle supports model ......................................................................................................74Figure 42 Wide abutment with number of important elements ...........................................................75Figure 43 Narrow abutment with number of important elements........................................................75Figure 44: Graphical illustration of extremal stresses in elements number 60601­ left and 61601 –        right in the mostly loaded piles for case with maximal axial force. … … … … … … … … … … … ..82Figure 45 Stresses in the mostly loaded piles (narrow abutment­on the left, wide abutment –on the

right side) for maximal axial force. ...........................................................................................78Figure 46 Sketch for forces in piles calculations (three line loads) .....................................................87Figure 47 Sketch for forces in piles calculations (two line loads) .......................................................90Figure 48 Schematic geometry of the bridge....................................................................................117Figure 49 Schematic geometry of the bridge with the length of elements .........................................118Figure 50 CONTRAM pile model ...................................................................................................122

Page 163: 2005:248 CIV MASTER'S THESIS - DiVA portal1025325/FULLTEXT01.pdf2005:248 CIV MASTER'S THESIS Optimized Design of Integral Abutments for a Three Span Composite Bridge Gabriela Tlustochowicz

List of figures

Master’s Thesis:”Integral Abutments”154

Figure 51 Geometry of the girder ....................................................................................................133Figure 52 Sketch for filfaktor calculations.......................................................................................137Figure 53 Sketch for filfaktor calculations.......................................................................................137Figure 54 Simplified CONTRAM bridge model..............................................................................142