Puentes curvos atirantados

Resumen

En la actualidad, se está extendiendo el uso del puente con directriz curva en planta
como solución, por un lado, a las cada vez más restrictivas condiciones a la hora de desarrollar
las directrices de los puentes, y por otro, a las nuevas exigencias arquitectónicas sobre los
puentes. Asimismo, el puente atirantado se ha vuelto una opción muy frecuente para luces
medias y grandes, donde resulta muy competitivo económicamente frente a otras opciones
como la del puente colgante. Estas 2 realidades, han conducido a numerosos ingenieros a
diseñar puentes de directriz curva con una configuración atirantada.
En esta tesis se estudia el comportamiento del puente curvo atirantado, analizando la
respuesta de los diferentes sistemas estructurales que lo componen. El objetivo esencial, es
mostrar los aspectos más relevantes del funcionamiento de estos sistemas estructurales,
desde los más simples a los más complejos, mediante análisis teóricos y cálculos
parametrizados que permitan llegar a conclusiones que esclarezcan el diseño y cálculo de un
puente curvo atirantado.
Para los cálculos estructural realizados en la tesis, se ha desarrollado un paquete de
programas de software en el lenguaje de programación Mathematica. Dentro de este paquete,
se desarrolla el cálculo completo de la estructura, desde el preproceso, pasando por la
resolución numérica de la estructura, hasta la presentación de los resultados gráficos. El
método de cálculo implantado ha sido el de los elementos finitos, utilizando elementos de 7
grados de libertad que tienen en cuenta el alabeo de la sección del tablero.
El puente se ha dividido en 2 subsistemas estructurales: el subsistema tablero, que
incluye el tablero y los estribos, y el subsistema Pila‐Tirantes, que incluye la torre, los tirantes
que permiten compensar las cargas horizontales sobre la cabeza de la pila y los tirantes que
conectan la cabeza de la pila con el tablero. Los estudios principales realizados sobre estos
sistemas estructurales son:
• Análisis de la viga curva cargada fuera de su plano, biapoyada y multiapoyada. Se realiza
un estudio detallado del comportamiento de la viga curva bajo diferentes condiciones
de contorno, analizando sus mecanismos para resistir las solicitaciones flectoras y
torsoras inherentes a su morfología.
• Estudio de la viga curva frente a cargas concéntricas a su plano. Siendo este tipo de
carga una de las características fundamentales de este tipo de puentes, se crea una
clasificación del tipo de comportamiento mostrado por el tablero a partir de las
condiciones de contorno impuestas por el diseño de este y las propiedades mecánicas
de la sección. También se investiga diferentes disposiciones de tirantes a lo largo de la
cabeza de pila, según razones geométricas y solicitantes sobre el tablero.
• Se examina detalladamente el diseño de la sección del tablero, desde puntos de vista
como el geométrico, el mecánico y el funcional. Se hace especial hincapié en la conexión
descentrada de la sección del tablero y el tirante de sujeción.
• Se desarrolla teórica y matemáticamente, la directriz funicular y antifunicular del tablero
de los puentes curvos atirantados, para cualquier tipo de disposición de tirantes en la
pila.
• Se analiza y se crea un método de diseño y cálculo para el subsistema Pila‐Tirantes, que
permite identificar desde las fases más tempranas las exigencias sobre este sistema y
como se pueden satisfacer de la mejor manera posible. También se desarrollan las
formas antifuniculares que eliminan las solicitaciones más perjudiciales para la torre.
• Se unen todas las conclusiones obtenidas, para el desarrollo de diferentes soluciones
para hipotéticos puentes, que permiten observar los resultados de los diferentes
estudios.
Now days, it has become more often to see curved deck bridges as a solution to; on the
one hand, increasingly restrictive conditions on developing bridge directrixes, and on the
other, new architectural demands for bridges. Likewise, cable‐stayed bridges have become a
very frequent option for medium and large spans, where they are very financially‐competitive
compared to other options such as suspension bridges. These two facts have led many
engineers to design curved directrix bridges with a cable‐stayed configuration.
This thesis studies the behaviour of curved cable‐stayed bridges, analysing the response
of the different structural systems involved. The core objective is to show the most relevant
aspects of the behaviour of these structural systems, from the simplest to the most complex,
using theoretical analysis and parametrised calculations which provide conclusions to clarify
the design and calculation of curved cable‐stayed bridges.
For the structural calculations conducted in the thesis, a software program package was
developed in the Mathematica programming language. This package conducts the complete
calculation of the structure, from the pre‐processing and numerical resolution of the structure
to the presentation of results in graph form. The method of calculation used has been that of
the finite elements, using elements with seven degrees of freedom that take the warping of
deck sections into account.
The bridge was divided into two structural subsystems: the Deck Subsystem, which
includes the deck and the abutments; and the Pile‐Stay Cables Subsystem, which includes the
tower, the stay cables that compensate the horizontal loads on the pile head and the stay
cables that connect the pile head to the deck. The main studies carried out on these structural
systems are:
• Analysis of the curved beam loaded outside its plane, with 2 or more supports. A
detailed study is conducted on the behaviour of the curved beam under different
boundary conditions, analysing its mechanisms to resist the bending and twisting
stresses inherent to its morphology.
• Study of the curved beam under concentric loads inside its plane. Since this type of load
is one of the fundamental characteristics of this kind of bridge, a classification of the
type of behaviour shown by the deck is created from the boundary conditions imposed
by its design and the mechanical properties of the section. Different stay cable
arrangements along the pile head are also studied, according to geometric and stresscausing
reasons on the deck.
• The design of the deck section is examined in detail, from points of view such as
geometric, mechanical and functional. Emphasis is placed on the offset connection of
the deck section and the support stay cable.
• The funicular and anti‐funicular directrix of the deck of cable‐stayed bridges is
developed theoretically and mathematically for any kind of stay cable arrangement on
the pile.
• A design and calculation method is analysed and created for the Pile‐Stay Cables
Subsystem, allowing from the earliest stages to identify the requirements on this system
and how they can be satisfied in the best possible way. Anti‐funicular forms are also
developed to eliminate the most harmful loads for the tower.
• All the conclusions are combined to develop various solutions for hypothetical bridges,
allowing us to observe results from the different studies.