Tesis:
Smart under-deck cable-stayed footbridges : from conceptual design to experimental validation
- Autor: CORRAL DOMENGE, María del Mar
- Título: Smart under-deck cable-stayed footbridges : from conceptual design to experimental validation
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORIA DE ESTRUCTURAS
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/76757/
- Director/a 1º: TODISCO, Leonardo
- Resumen: The use of under-deck cable-stayed systems in bridge design is rapidly growing, due to their ability to optimize the distribution of internal forces. By introducing an initial prestress force into the stays, bending in the deck can be effectively reduced under permanent load conditions. However, these systems exhibit reduced efficiency in withstanding live loads, limiting opportunities for material savings. To address this limitation, this thesis investigates the potential application of smart under-deck cable-stayed systems in bridge design. By gradually adjusting the force in the stays as the live load increases, this smart system enables an enhanced performance of the cable-stayed system for any magnitude of the live load. The smart behavior is achieved through the combined use of three main components: i) a linear actuator that replaces the midspan strut of a conventional structure, ii) a sensor responsible for monitoring deck displacements and, iii) a control system that facilitates the communication between these components.
This work presents a comprehensive research into the design and performance smart under-deck cable-stayed structures. The investigation encompasses both theoretical and experimental analyses, with a specific focus on evaluating the system applicability to footbridges, while also assessing its potential use in roadway bridges.
The thesis begins analyzing of the current state-of-the-art in under-deck cable-stayed structures and smart structures, exploring their respective advantages and potential synergies resulting from their combination. Then, theoretical considerations on the structural design of these innovative structures are presented. This includes the development of a working procedure based on partially smart systems, where the actuation starts only if a specific live load threshold is exceeded. This conceptual part is followed by analytical and numerical analyses of the structural behavior, as well as a proposal for an optimized design. Through an extensive parametric analysis, the governing limit states and the optimum geometrical variables (e.g., rise-to-span ratio and live-to-dead load ratio) are identified. Based on the findings of this process, the advantages of the system are quantified in terms of cost and CO2 reductions. Next, to experimentally validate the effectiveness of the proposed system and identify any technological limitations, a 6-meter-span prototype is constructed and tested under static and quasi-static loads. Finally, the technology is implemented to a case study, the Osormort viaduct, to assess the performance of the smart system in a road bridge.
This study has yielded significant findings that demonstrate how the implementation of smart systems can effectively reduce the required material quantities. While the exact estimation depends on a variety of parameters, adopting this technology can lead to an approximate 15% reduction in costs and a 10-20% reduction in carbon emissions, compared to conventional solutions. Although these savings may be of interest, they might not be enough to justify the widespread adoption of this technology in the industry. Therefore, further research is needed to explore different strategies for enhancing the economic and environmental advantages of this system and to facilitate its integration into bridge construction practices.
RESUMEN
El uso de sistemas de atirantamiento inferior es cada vez más habitual en el diseño de puentes, ya que permite optimizar la distribución de esfuerzos en la estructura. Presolicitar los tirantes permite compensar las cargas permanentes, reduciendo significativamente las flexiones en el tablero para este estado de cargas. Sin embargo, la eficacia del sistema frente a sobrecargas es muy inferior, por lo que se reducen las oportunidades de ahorro de material.
En respuesta a esta limitación, esta tesis propone el uso de sistemas de atirantamiento inferior inteligentes en el diseño de puentes. La particularidad de este sistema es que permite ajustar gradualmente la fuerza en los tirantes a medida que aumenta la sobrecarga, garantizando un comportamiento estructural óptimo independientemente de las solicitaciones. El comportamiento inteligente se logra mediante el uso combinado de tres elementos: i) un actuador lineal que reemplaza al puntal situado en el centro de vano de la estructura convencional, ii) un sensor responsable de monitorizar los desplazamientos del tablero y, iii) un sistema de control que facilita la comunicación entre los dos componentes anteriores.
Esta investigación presenta un estudio exhaustivo del comportamiento de las estructuras con atirantamiento inferior inteligente, tanto desde el punto de vista teórico, como experimental. Aunque principalmente se ha estudiado su aplicación a pasarelas, también se evalúa su posible uso en puentes de carretera.
Esta tesis comienza analizando el estado del conocimiento de, por una parte, las estructuras con atirantamiento inferior y, por otra parte, las estructuras inteligentes, explorando en cada caso sus ventajas y las potenciales sinergias resultantes de su combinación. A continuación, se presentan las consideraciones teóricas para el diseño de estas estructuras innovadoras. Esto incluye el desarrollo de un procedimiento de actuación basado en sistemas parcialmente inteligentes, en los que el movimiento se inicia únicamente si se supera un valor umbral de la sobrecarga. Tras la descripción conceptual del sistema, se incluyen los análisis numéricos y analíticos del comportamiento estructural, así como una propuesta de diseño. Mediante un análisis paramétrico, se identifican los estados límite que gobiernan el diseño y las variables geométricas más adecuadas (por ejemplo, la relación fecha-luz o la relación sobrecarga-cargas permanentes). A partir de los resultados anteriores, se cuantifican las ventajas del sistema en términos de coste y reducción de C02- Posteriormente, para validar experimentalmente la eficacia del sistema propuesto y detectar posibles limitaciones tecnológicas, se construye un prototipo de 6 metros de luz y se ensaya frente a cargas estáticas y cuasiestáticas. Por último, la tecnología se aplica a un caso de estudio, el viaducto de Osormort, para evaluar su rendimiento en un puente de carretera.
Los resultados de este estudio han posibilitado determinar que el uso de sistemas inteligentes permite reducir las cuantías de los materiales que conforman la estructura. Aunque la estimación exacta depende de diversos parámetros, la adopción de esta tecnología puede suponer una reducción aproximada del 15% de los costes y del 10-20% de las emisiones de carbono, en comparación con una solución convencional. Pese a que estos ahorros puedan ser de interés, no parecen suficientes como para justificar la adopción generalizada de esta tecnología en la industria. Por lo tanto, es necesario seguir investigando para explorar diferentes estrategias que potencien las ventajas económicas y medioambientales de este sistema, y que faciliten su integración en las prácticas de construcción de puentes.