estudio del comportamiento resistente de los puentes arco espaciales.

534 Pages·2007·16.92 MB·Spanish

DEPARTAMENTO DE MECÁNICA DE MEDIOS
CONTINUOS Y TEORÍA DE ESTRUCTURAS

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS
DE MADRID. DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS.

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO
RESISTENTE DE LOS PUENTES
ARCO ESPACIALES.

TESIS DOCTORAL.

JUAN JOSÉ JORQUERA LUCERGA.
INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS.

DIRECTOR: JAVIER MANTEROLA ARMISÉN.
DR. INGENIERO DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS.

MADRID. 2007.
VERSIÓN DEFINITIVA.
ARCHIVO: D:\td\textos\tesis\definitivo\TESIS DOCTORAL JJJL.doc
AUTOR: JJJL.
FECHA: 07/02/2007.
D. 15

Tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de
Madrid, el día ___ de ________________________ de 2007.

Presidente D. _______________________________________________
Vocal D. _______________________________________________
Vocal D. _______________________________________________
Vocal D. _______________________________________________
Secretario D. _______________________________________________
Suplente D. _______________________________________________
Suplente D. _______________________________________________
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ___ de _____________ de
200__ en la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la U.P.M.
Calificación: ______________________________________________

EL PRESIDENTE LOS VOCALES

EL SECRETARIO

RESUMEN.
Un puente arco consta generalmente de un tablero y un arco vertical. En un puente arco plano, el
tablero es siempre recto y su carga se transmite, mediante péndolas ancladas en el eje, al único arco.
Además, aparecen deformaciones fuera del plano, producido por cargas como el viento transversal.
El puente arco espacial puede definirse como aquél cuyo comportamiento no es equiparable al
del puente arco plano. Puentes simétricos respecto del plano longitudinal (por ejemplo, con dos arcos
verticales) normalmente presentan un comportamiento espacial (no plano) sólo para algunas distribuciones
asimétricas de sobrecargas. Por el contrario, los puentes asimétricos (por ejemplo, como en los puentes
donde los arcos se han girado o inclinado, o con un único tablero curvo) muestran comportamiento
espacial también para cargas permanentes.
Esta tesis se centra en el caso de arco y tablero únicos, de conclusiones fácilmente extensibles a
otras configuraciones resistentes más complejas. Además, constituyen el desarrollo más reciente de los
puentes arco clásicos. Desde el punto de vista estético, surgen como consecuencia de las nuevas demandas
arquitectónicas exigidas a los puentes en entornos urbanos. Además, aparecen para satisfacer las
necesidades funcionales cuando estructuras en arco resultan las más adecuadas para sostener tableros
curvos. En estos, y en otros, casos su comportamiento resistente se extiende del plano vertical original a
una configuración espacial tridimensional.
El objetivo principal de esta tesis es comprender la respuesta estática del puente arco espacial
bajo cargas de servicio. Así, se presentan los aspectos relevantes del comportamiento de sus diferentes
elementos estructurales, que se estudian teórica y numéricamente.
Todos los cálculos estructurales se han realizado utilizando el método de los elementos finitos.
Además, se ha escrito por el autor un conjunto de programas, expresamente para esta tesis, en lenguaje
MATLAB. Este conjunto de programas, denominado SABRINA (Spatial Arch BRidges Iterative Non-linear
Analysis) se encarga del pre y postproceso, del control de los cálculos y de la implementación de los
algoritmos desarrollados en esta tesis.
Entre otros, se han llevado a cabo los siguientes estudios:
• Se ha desarrollado un nuevo método iterativo de obtención de directrices antifuniculares
tridimensionales, que incluye el caso general de arcos biempotrados espaciales con
consideración de la no linealidad y de fases de construcción.
• Se ha estudiado en los arcos planos verticales parámetros geométricos tales como el giro del
arco, o la curvatura y el ripado transversal de los tableros, que están presentes en las
realizaciones existentes y son además, por sí solos, causa de espacialidad.
• Se han estudiado las características especiales de los cables y su influencia en este tipo de
puentes.
• Se ha estudiado la relación existente entre el carácter espacial de los puentes arco y la
sensibilidad a la no linealidad geométrica.
• Se ha estudiado teórica y paramétricamente la influencia del desplazamiento lateral y radial de
los apoyos en los tableros rectos y curvos. La rigidez torsional del tablero se ha mostrado un
factor de gran importancia. Especialmente interesante es el tablero suspendido de un borde, muy
adecuado para el puente arco espacial.
• Se han generalizado las conclusiones obtenidas de los puentes arco espaciales con arcos planos a
los de arcos con directrices espaciales antifuniculares, incluyendo los de tablero superior.
Además, se han estudiado los arcos de planta curva, como el puente tipo “Galindo”, con
atirantamiento de contrarresto en el borde interior del tablero.

I

ABSTRACT.
A Study on Structural Behaviour of Spatial Arch Bridges.
An arch bridge usually consists of a deck and a vertical arch. In a so-called plane arch bridge,
the deck is always straight in plan, and its load is transferred to the only arch by stays attached along the
deck axis. In addition, out-of-plane displacements will exist, for instance, due to wind loads.
Therefore, we could define a spatial arch bridge as that one whose behaviour cannot be
compared to the plane’s one so defined. Longitudinally symmetric bridges (for instance, with twin vertical
arches) usually show spatial (not plane) behaviour only for asymmetrical live load distributions. On the
other hand, unsymmetrical bridges (for instance, in those bridges where the arches have been rotated or
leant, or with a single curved deck) show spatial behaviour for dead loads as well.
This thesis focuses on bridges with a single deck and only an arch, since conclusions obtained
can be easily generalized to more complex configurations. Besides, these are the latest developments of
classical arch bridges. From an aesthetical point of view, they are a consequence of new architectural
demands for bridges in urban environments. They also arise in to meet functional requirements when arch
structures are the most suitable for supporting horizontally curved decks. In these and more cases, their
structural behaviour extends from the original vertical plane to a three-dimensional configuration in space.
The main goal of this thesis is to understand the response of the spatial arch bridge under static
service loads. So, its subsystems are theoretically and numerically studied, and their relevant behaviour
will be presented.
All the structural analyses have been performed using the finite element method. In addition, a
set of computer programs written by the author, specially for this thesis, have been coded in the MATLAB
language. The so-called SABRINA (that stands for Spatial Arch BRidges Iterative Non-linear Analysis)
program performs pre and post-processing, flow control, and developed algorithm implementation.
Among others, the following studies have been carried out:
• A new method for finding antifunicular three-dimensional shapes has been developed and
implemented, including the most general case of spatial arches with clamped ends. Non-linear
behaviour and construction stages can be considered.
• In spatial arch bridges with plane arches, parametric studies have been conducted to investigate
the effect of, among others, leaning of arch, curvature of the deck, and relative position between
arch and deck. These factors appear in actual bridges, and are, by themselves, cause of spatial
behaviour.
• Special features of cables and their influence have been studied for this type of bridges.
• Relationship between spatial configuration and the sensitivity to geometrical non-linearity has
been analyzed.
• Parametric and theoretical studies have been performed in order to study the effect of the lateral
and radial displacement of bearings in straight and curved decks. Deck torsional stiffness is a
factor of major importance. Especially interesting is the deck suspended only on one side, very
suitable for the spatial arch bridge.
• Conclusions obtained from spatial arch bridges with plane arches have been generalized to
arches with spatial antifunicular shapes, including upper deck bridges. Arches curved in plan
have also been studied, like “Galindo” type, with backstays attached to the inner edge of the
deck.

III

ÍNDICE.
1 INTRODUCCIÓN. 1
1.1. RAZÓN DE SER DE LA TESIS DOCTORAL............................................................................................................1
1.1.1. Razones formales..............................................................................................................................1
1.1.2. Razones funcionales.........................................................................................................................1
1.1.3. Desarrollo del tipo............................................................................................................................2
1.1.4. Estudios teóricos...............................................................................................................................3
1.1.5. Oportunidad del estudio....................................................................................................................4
1.2. OBJETIVOS DEL ESTUDIO.................................................................................................................................4
1.3. CONTENIDO DE LA TESIS..................................................................................................................................5
2 CONCEPTO, CLASIFICACIÓN Y REALIZACIONES. 9
2.1. CONCEPTO DE PUENTE ARCO ESPACIAL...........................................................................................................9
2.2. CLASIFICACIÓN..............................................................................................................................................10
2.3. EJEMPLOS DE REALIZACIONES ASIMÉTRICAS.................................................................................................11
2.3.1. Causas más frecuentes de asimetría................................................................................................12
2.3.2. Arco vertical excéntrico..................................................................................................................13
2.3.3. Arco inclinado excéntrico con tablero recto...................................................................................14
2.3.4. Arco plano con tablero curvo..........................................................................................................19
2.3.5. Arcos girados respecto de un eje vertical........................................................................................24
2.3.6. Arcos de directriz espacial..............................................................................................................27
2.4. REALIZACIONES CON SIMETRÍA LONGITUDINAL.............................................................................................29
2.4.1. Arcos girados perpendicularmente al eje del tablero......................................................................29
2.4.2. Parejas de arcos exentos laterales inclinados con tablero recto......................................................30
2.4.3. Arco único de ancho o cordones variables......................................................................................31
2.4.4. Arco único con dos tableros............................................................................................................34
2.4.5. Dos arcos convergentes...................................................................................................................34
2.4.6. Dos arcos divergentes.....................................................................................................................35
3 MODELOS DE CÁLCULO. 37
3.1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................................37
3.2. LA SERIE SABRINA DE PROGRAMAS DE CÁLCULO..........................................................................................37
3.3. MODELOS DE CÁLCULO.................................................................................................................................39
3.3.1. Parámetros geométricos más utilizados..........................................................................................40
3.3.2. Materiales y secciones....................................................................................................................42
3.4. VALORES DE LAS ACCIONES...........................................................................................................................43
3.4.1. Cargas permanentes........................................................................................................................43
3.4.2. Sobrecargas verticales de uso.........................................................................................................43
3.4.3. Acción del viento............................................................................................................................44
3.4.4. Acción térmica................................................................................................................................44
3.5. HIPÓTESIS SIMPLES DE CARGA Y COMBINACIONES.........................................................................................44
3.5.1. Hipótesis simples............................................................................................................................44
3.5.2. Combinaciones de hipótesis simples...............................................................................................45
3.5.3. Criterio de signos de los esfuerzos..................................................................................................46
3.6. PRESENTACIÓN GRÁFICA DE LOS RESULTADOS..............................................................................................47
4 ARCO PLANO VERTICAL: EFECTO DE LA VARIACIÓN DE CURVATURA DEL TABLERO. 49
4.1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................................49
4.2. RESULTADOS PARA CARGAS PERMANENTES..................................................................................................51
4.3. RESULTADOS PARA SOBRECARGAS................................................................................................................57
4.4. MOVIMIENTOS...............................................................................................................................................66
4.5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS MÁS RELEVANTES.........................................................................................72
4.5.1. Cargas permanentes........................................................................................................................72
4.5.2. Sobrecargas.....................................................................................................................................81
4.6. CONCLUSIONES PROVISIONALES DEL ESTUDIO...............................................................................................86
V
5 REVISIÓN DE RESULTADOS: NO LINEALIDAD GEOMÉTRICA Y CONDICIONANTES
TENSODEFORMACIONALES. 89
5.1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................................89
5.2. EFECTO DE LA NO LINEALIDAD GEOMÉTRICA PARA CARGAS PERMANENTES: COMPARACIÓN DE
RESULTADOS..................................................................................................................................................89
5.2.1. Comparación de resultados.............................................................................................................89
5.2.2. Análisis de los resultados................................................................................................................93
5.3. ESTUDIO TENSO-DEFORMACIONAL.................................................................................................................95
5.3.1. Cálculo automatizado de envolventes.............................................................................................95
5.3.2. Predimensionamiento de secciones a partir de la envolvente tensional..........................................96
5.3.3. Limitaciones de flechas en tablero................................................................................................101
5.4. PREDIMENSIONAMIENTO DE LAS SECCIONES DE ARCOS EN FUNCIÓN DE LA CURVATURA DEL
TABLERO......................................................................................................................................................101
5.4.1. Predimensionamiento. Caso g =-10..............................................................................................102
T
5.4.2. Predimensionamiento. Caso g =-8................................................................................................105
T
5.4.3. Predimensionamiento. Caso g =-6................................................................................................106
T
5.4.4. Predimensionamiento. Caso g =-4................................................................................................108
T
5.4.5. Predimensionamiento. Caso g =-2................................................................................................109
T
5.4.6. Comprobación. Caso g =-0...........................................................................................................111
T
5.4.7. Resumen de resultados..................................................................................................................112
5.4.8. Similitudes con la pasarela de Gateshead......................................................................................113
5.5. CONCLUSIONES............................................................................................................................................113
6 ARCO PLANO VERTICAL: EFECTO DE LA CONTRAFLECHA DE EJECUCIÓN. 115
6.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................115
6.2. MÉTODO ITERATIVO DE DETERMINACIÓN DE LA CONTRAFLECHA DE EJECUCIÓN.........................................116
6.3. EFECTO DE LA CONTRAFLECHA DE EJECUCIÓN.............................................................................................117
6.3.1. Determinación de la contraflecha de ejecución para los casos g =-6 y g =-10.............................117
T T
6.3.2. Comparación de resultados...........................................................................................................118
7 ARCO PLANO VERTICAL: ESTUDIO DE LA POSICIÓN RELATIVA TRANSVERSAL ENTRE
ARCO Y TABLERO. 123
7.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................123
7.2. RESULTADOS PARA CARGAS PERMANENTES.................................................................................................125
7.3. RESULTADOS PARA SOBRECARGAS..............................................................................................................131
7.4. MOVIMIENTOS.............................................................................................................................................140
7.5. TENSIONES...................................................................................................................................................146
7.6. ANÁLISIS DE RESULTADOS MÁS RELEVANTES..............................................................................................147
7.6.1. Cargas permanentes......................................................................................................................147
7.6.2. Sobrecargas...................................................................................................................................149
7.7. PUNTOS FIJOS TRANSVERSALMENTE............................................................................................................150
7.7.1. Punto de clave fija.........................................................................................................................150
7.7.2. Minimización de la flexión transversal.........................................................................................152
7.7.3. Efecto de la contraflecha de ejecución y la no linealidad geométrica...........................................157
8 ARCO PLANO INCLINADO: EFECTO DEL ÁNGULO DE GIRO. 161
8.1. INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................161
8.2. ANÁLISIS DE CARGAS PERMANENTES...........................................................................................................162
8.2.1. Acciones sobre arco y tablero.......................................................................................................162
8.2.2. Evolución de los esfuerzos............................................................................................................165
8.3. SENSIBILIDAD A LAS SOBRECARGAS............................................................................................................168
9 TABLEROS SUSPENDIDOS DE UN BORDE. 171
9.1. EL TABLERO SUSPENDIDO DEL BORDE..........................................................................................................171
9.1.1. Necesidad de la suspensión al borde.............................................................................................171
9.1.2. Estabilidad del tablero circular apoyado en un borde...................................................................171
9.1.3. Método de determinación de sobreanchos....................................................................................172
9.1.4. Clasificación de secciones transversales y de las tipologías de suspensión al borde....................173
9.2. REALIZACIONES Y ESQUEMAS RESISTENTES.................................................................................................175
9.2.1. Secciones de alta rigidez a torsión................................................................................................175
VI