Autor: MORA QUISPE, Marck Anthony
Título: Stability and resistance of thin-walled steel plate girders in launched structures
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
Departamento: MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y TEORIA DE ESTRUCTURAS
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/92048/
Director/a(s):
- Director/a: TODISCO, Leonardo
Resumen: Thin-walled steel plate girders are fundamental components in modern launched structures, offering an optimal balance between structural efficiency and material economy. However, their behaviour under complex loading conditionsparticularly during launchingcontinues to present challenges in terms of both stability and resistance. In addition to that, these elements are employed in a variety of applications, spanning both permanent and non-permanent structural systems. This thesis presents a comprehensive investigation into two critical structures within the domain of launched structures: Movable Scaffolding Systems (MSSs) and launched steel I-girders stiffened with a triangular-cell bottom stiffening. This research aims to address design gaps, optimise structural performance, and improve safety and sustainability in bridge design and construction. The first part focusses on MSSs, a widely used Bridge Construction Equipment (BCE) type. The study also identifies that the MSS design is inadequately addressed in current European and American standards, leading to the proposal of foundational design recommendations. Numerical and parametric studies further confirmed that MSSs are mostly governed by Ultimate Limit States, allowing for significant slenderness in design. A representative MSS was critically analysed, leading to a deeper understanding of its mechanical behaviour and limitations. Optimisation strategies were explored through both structural steel design (notably through stiffening techniques) and the application of active prestressing systems. Although active systems can lead to average weight reductions of 10%, their cost-effectiveness remains questionable when considering the complexity of the system and the cost of the new elements to be assembled. The second part of the thesis investigates I-girders incorporating an innovative triangular-cell bottom stiffening with a focus on the resistance to patch loading. It confirms that, while current codes predict behaviour accurately for conventional configurations, they considerably underestimate the capacity of girders with current stiffening methods used in bridges. In addition to that, this research detected that there is still a lack of experimental and numerical validation for the geometrical ratios of launched bridges. In this context, the range of ratios which represent bridges is also relatively underestimated, up to 4 times in current design codes. A benchmark Finite Element (FE) model was developed and validated through both numerical comparisons with literature-based test data and an original experimental campaign. Based on these findings, a new mechanical model is proposed, capturing the contributions of both the web panel and the transverse stiffeners. This led to an observed resistance increase of 80% compared to the unstiffened girder. The introduction of the triangular-cell stiffening mechanism results in resistance gains starting from 80% compared to unstiffened configurations. Experimental observations further reveal a new beam-like load transfer mechanism that complements conventional failure modes such as buckling, yielding, and crippling. In summary, this dual investigation not only addresses critical gaps in current design standards, but also introduces validated modelling approaches and practical design recommendations. The findings contribute to the development of more efficient, safe, and sustainable bridge structures through the smart and optimised use of structural steel. RESUMEN Las vigas de alma delgada de acero conforman componentes fundamentales en las estructuras lanzadas, también llamadas estructuras empujadas, al ofrecer un equilibrio óptimo entre la eficiencia estructural y economía del uso de materiales. Sin embargo, su comportamiento bajo condiciones de carga complejas, particularmente durante el lanzamiento, continúa presentando desafíos importantes en términos de estabilidad y resistencia. Además, estos elementos se emplean en diversas aplicaciones que abarcan tanto estructuras permanentes como temporales. Esta tesis presenta una investigación exhaustiva sobre dos tipos de estructuras importantes en el ámbito de los sistemas lanzados: las autocimbras (MSS, por sus siglas en inglés) y las vigas en doble T de acero con célula triangular (también conocidos como torsionetas). Esta investigación tiene como objetivo abordar las ausencias existentes en la normativa de diseño, optimizar el rendimiento estructural, y mejorar la seguridad y la sostenibilidad en el diseño y construcción de puentes. La primera parte se centra en las autocimbras, un tipo de equipo de construcción de puentes (BCE) ampliamente utilizado. Se constata que las normativas europeas y americanas actuales ofrecen una cobertura insuficiente para el diseño estructural de este tipo de cimbras. Por ello, esta tesis propone una serie de recomendaciones de diseño fundamentales. Los estudios numéricos y paramétricos confirmaron que el comportamiento de los MSS está principalmente regido por los Estados Límite Últimos, lo cual permite diseños con secciones altamente esbeltas. Se analizó críticamente una cimbra representativa, lo que permitió una comprensión más profunda de su comportamiento mecánico y sus limitaciones. Se exploraron estrategias de optimización tanto mediante el diseño eficiente del acero estructural (especialmente a través de técnicas de rigidización), como mediante la incorporación de sistemas de pretensado activo. Aunque estos sistemas pueden suponer una reducción media del peso de aproximadamente un 10%, su rentabilidad resulta cuestionable al considerar la complejidad del sistema y el coste de los nuevos elementos requeridos. La segunda parte de la tesis investiga vigas en doble T de acero con célula triangular inferior, centrándose en su resistencia frente a cargas localizadas (patch loading). Si bien las normativas actuales predicen con cierta precisión el comportamiento de configuraciones convencionales, subestiman notablemente la capacidad portante de aquellas que emplean técnicas modernas de rigidización. Además, se detecta una clara falta de validación experimental y numérica para geometrías representativas de puentes empujados, lo cual conlleva estimaciones de resistencia hasta cuatro veces inferiores a la real según las normas actuales. Para subsanar esta carencia, se desarrolló un modelo de referencia por el Método de Elementos Finitos (MEF), validado tanto mediante comparaciones con ensayos disponibles en la literatura como mediante una campaña experimental original que incluye las células triangulares. A partir de estos resultados, se propone y confirma un nuevo modelo mecánico que considera las contribuciones tanto del alma como de los rigidizadores transversales. El uso de célula triangular permitió un incremento de resistencia de un 80% respecto a la solución sin rigidizar. En este estudio, se confirma que la incorporación de células triangulares resulta en aumentos de resistencia desde un 80%. Además, los ensayos experimentales revelaron un nuevo mecanismo de transferencia de carga con comportamiento tipo viga, que actúa de forma complementaria a los modos clásicos de fallo como el pandeo, la plastificación y el cripamiento. Esta doble investigación no solo aborda carencias críticas en las normativas actuales de diseño, sino que también introduce modelos validados y recomendaciones prácticas. Los resultados contribuyen al desarrollo de estructuras de puentes más seguras, eficientes y sostenibles.