Nuevo método de lanzamiento de puentes metálicos basado en doble cajón colaborante: simulación numérica estructural y experimentación aerodinámica
- Autores: Antonio Navarro Manso
- Directores de la Tesis: Daniel Castro Fresno (dir. tes.), Juan José del Coz Díaz (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- A new steel bridge launching system based on self-supporting double deck: structural numerical simulation and wind tunnel tests
- Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Ángel Serna Oliveira (presid.), Javier Domínguez Hernández (secret.), Joaquín Diaz Pascual (voc.)
- Materias:
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- Resumen
- español
La construcción de un puente es la etapa más comprometida de su vida; se dice que si un puente es capaz de superar su fase de ejecución, entonces, puede permanecer durante siglos (así reza, al menos, la inscripción en el arco conmemorativo que se levanta sobre el Puente de Alcántara, desde hace casi 2000 años). Y esto es particularmente cierto en determinadas tipologías estructurales, tales como los puentes arco, los puentes atirantados y en los realizados mediante la técnica de empuje o lanzamiento.
La razón, amén de las múltiples vicisitudes que caracterizan ese periodo, es que, en él, la estructura debe soportar diferentes esfuerzos a medida que avanza el proceso de lanzamiento y, en ocasiones, superiores a los que deberá hacer frente en fase de servicio. Este hecho hace que, en la actualidad, este eficaz procedimiento de construcción se encuentre limitado por la luz máxima del puente a empujar.
La técnica de empuje o lanzamiento de puentes es aquella en la que el tablero se construye fuera de su ubicación definitiva, y posteriormente se traslada a dicha localización, mediante un mecanismo que impulsa la estructura ejecutada hasta el momento sobre las pilas del puente previamente construidas. Es esta la fase más comprometida de la vida del puente, ya que debe hacer frente a esfuerzos distintos y generalemnte mayores que los que soportará durante su vida útil. Actualmente, los límites que gobiernan el empuje de un tablero metálico son la luz máxima del vano y el fenómeno de "patch laoding" o carga concentrada sobre almas esbeltas.
Para intentar resolver la problemática anteriormente descrita, esta tesis doctoral diseña y optimiza un nuevo método de lanzamiento de puentes metálicos, de sección constante, proponiendo el lanzamiento de luces de hasta 150 m. Para alcanzar este desafío, se plantea utilizar el último vano lateral de la estructura como refuerzo en las secciones pésimas durante el lanzameinto y concebir un nuevo mecanismo de empuje continuo.
De esta forma se evitan los medios auxiliares y los tiempos muertos en las fases de empuje y se propicia un salto tecnológico que hace posible competir con otras tipologías o sistemas constructivos utilizados actualmente (fundamentalmente, vanos de hormigón pretensado y procesos constructivos de autocimbra o avance en voladizo).
Una vez analizado el estado del arte de los puentes construidos por empuje, esta tesis doctoral se centra de forma detallada en las dos nuevas patentes de invención internacionales desarrolladas en el marco del proyecto de investigación ALCANZA y que dan forma al nuevo método de lanzamiento: - WO 2013/001115 A1, ES-2368318 (B2) "Sistema y Método de Lanzamiento de Estructuras", DCNLBS. La idea del doble cajón colaborante permite empujar puentes metálicos de luces de 150 m con un máximo aprovechamiento del material y sin recurrir a elementos auxiliares costosos o singulares.
- WO 2013/001114 A1, ES-2367737 (B2) Dispositivo de Desplazamiento Continuo de Estructuras", DCACLM. La idea del sistema de empuje continuo denominado "oruga" minimiza los tiempos de empuje y aumenta la seguridad de la maniobra al permitir el lanzamiento reversible del puente (en puentes metálicos y de hormigón).
Estas patentes han sido presentadas en un Congreso Internacional, han dado lugar a publicaciones en revistas internacionales de impacto y han servido para obtener el 1º Premio en su categoría en el Certamen Universitario "Arquímedes", de Introducción a la Investigación Científica 2012.
A continuación, como justificación de los nuevos procedimientos propuestos, se expone el método general de cálculo de la nueva solución, prestando especial atención a los problemas constructivos y estructurales que se plantean en los sistemas de empuje convencionales y que el sistema de doble cajón colaborante y empuje continuo viene a resolver, entre ellos: - Las posibles estrategias de rigidización del tablero metálico.
- La influencia de las cargas concentradas durante el lanzamiento de puentes metálicos, también llamado fenómeno de "patch loading".
- Caracterización aerodinámcia del tablero mediante ensayos en túnel aerodinámico para conocer la carga de viento en un voladizo de esta magnitud (150 m).
La metodología general que se ha seguido es la de simulación numérica mediante elementos finitos (FEM), validación experimental y optimización mediante la técnica de diseño de experimentos (DOE). Es lo que se conoce en la literatura como Ingeniería Híbrida. En este sentido, se han llevado a cabo más de 100 modelos FEM, implementados en el programa ANSYS-Workbench, y se han validado experimentalmente mediante casos reales instrumentados durante su fase de construcción y mediante modelos a escala ensayados en túnel aerodinámico (hasta casi 200 ensayos), con el fin de alcanzar los objetivos siguientes: - Eficiencia: desarrollo de un modelo muy competitivo, por su coste y por la reducción de los plazos de ejecución de obra.
- Versatilidad: aplicable a múltiples situaciones de orografía, así como adaptable a diferentes modelos de construcción (acero u hormigón, por ejemplo); aumento de las luces máximas que se empujan actualmente.
- Calidad y sostenibilidad: reutilización de los materiales y respeto de las condiciones medioambientales del entorno.
Finalmente, se plantean unas futuras líneas de investigación en las que sería posible profundizar, relacionadas fundamentalmente con el desarrollo del sistema de empuje continuo u "oruga", y con algunos aspectos estructurales aquí estudiados, principalmente, inestabilidad estructural en secciones esbeltas de acero (abolladura local del alma) y análisis aeroelástico del tablero en fase de construcción por empuje.
CONCLUSIONES: Las conclusiones generales de esta investigación relativas al estado del conocimiento y de la técnica actuales (en cuanto al diseño y construcción de puentes se refiere, entendidos como dos aspectos de un único proceso) y a la metodología empleada, son las siguientes: - El estudio del estado del arte realizado, basado en el análisis de más de 300 casos y patentes internacionales, ha permitido contextualizar los hitos alcanzados en la Historia de la construcción de puentes, detectando la creación de nuevas formas, generalmente acompañadas por el desarrollo de nuevos materiales.
- Se ha llevado a cabo un cálculo de inestabilidad estructural no lineal combinando la simulación numérica avanzada, utilizando el método de elementos finitos (FEM) asistido con el diseño de experiemntos (DOE), con la experimentación (ya sea en laboratorio o aprovechando la abundante información disponible durante la instrumentación de determinadas estructuras reales). Esta técnica de Ingeniería Híbrida ha permitido la optimización de los recursos de cálculo al máximo, conservando la precisión requerida en problemas complejos.
- Se han identificado las variables desarrollando los modelos numéricos para el estudio de un amplio rango de diferentes hipótesis; y se han optimizado dichas variables mediante un análisis de sensibilidad. Esto ha dado lugar al diseño novedoso del doble cajón colaborante expuesto en la primera de las patentes de invención, y a la propuesta de rigidización longitudinal combinada del tablero actuando conjuntamente con una célula triangular inferior, para hacer frente a la carga de "patch loading".
- Se han prediseñado los elementos hidráulicos y mecánicos principales, así como los sistemas auxiliares de control de flechas y esfuerzos en la punta de avance, configuración del parque de empuje, etc., como base de la segunda de las patentes de invención, una "oruga" mecánica invertida completamente innovadora.
- Se ha puesto en marcha un nuevo túnel aerodinámico en la E.P.I. de Gijón. Esta nueva infraestructura ha fomentado la colaboración entre distintas Universidades (Cantabria, Oviedo, THM-Alemania, VIA-Dinamarca) y permitirá abordar complejos problemas de estabilidad aerodinámica durante la construcción de las estructuras (de los puentes en este caso) y durante su vida útil.
- Se ha realizado el estudio aerodinámico de la sección (no convencional) en fase constructiva, ante la laguna detectada en la literatura especializada. Estos ensayos a escala en túnel aerodinámico han dado como resultado la determinación de los coeficientes de arrastre de la estructura (para diversas configuraciones) y permitirán la calibración de modelos de volúmenes finitos CFD para el análisis detallado de la estabilidad aerodinámica (y aeroelástica, en su caso, junto con el estudio presentado de los modos propios de vibración de la estructura) de un voladizo metálico de 150 m.
Como resultado final, se ha obtenido un modelo constructivo a través de una racionalización de los elementos de diseño y proyecto de la propia estructura y de los sistemas específicos de empuje, que permite la entrada en competencia (técnica y económica) con la oferta actual en el mercado, con especial énfasis en los parámetros de sostenibilidad y seguridad en las obras de construcción.
Las conclusiones específicas de esta tesis doctoral son: - Queda demostrado que es posible empujar viaductos metálicos (mixtos) de más de 1500 m de longitud y luces máximas de 150 m sin la utilización de medios auxiliares.
- La novedosa propuesta del doble cajón ha sido eficaz frente al control de las tensiones máximas en la sección de apoyo y de las flechas en el voladizo durante el lanzamiento.
En cuanto a la interacción entre "patch loading" y flexión general, el aumento del canto, la inercia, el área de cortante y la inercia a torsión de la sección crítica han permitido soportar eficientemente los esfuerzos que aparecen en la fase crítica de lanzamiento.
- El método de cálculo adoptado (Ingeniería Híbrida: cálculo no lineal y experimentación) ha resultado apropiado para el estudio del fenómeno de interacción entre "patch loading" y flexión longitudinal del tablero.
- La célula triangular inferior completa (interior y exterior) ha sido un elemento clave para soportar las cargas concentradas o "patch loading", demostrando poseer muy buena eficacia. La reducción de tensiones en el alma ha sido superior al 25% con respecto a la célula simple o interior que normalmente se utiliza.
- Las deformaciones en el alma, principal restricción del diseño de la sección del puente, dependen fundamentalmente del espesor de la misma y de la posición del rigidizador longitudinal (para una posición determinada de la carga del apoyo con respecto al alma). Las tensiones, sin embargo, han presentado una variación mucho menor entre las múltiples propuestas de rigidización analizadas.
- Este hecho, junto con la disposición de la mencionada célula triangular, ha permitido elevar la posición del rigidizador longitudinal dentro del canto de la sección, con respecto a la práctica habitual, sin un aumento significativo de las tensiones. De este modo se ha conseguido una reducción notable en material así como una mayor simplicidad constructiva.
- Se ha demostrado que la rigidización óptima (desde el punto de vista estructural y económico) de un cajón de 150 m de luz de almas verticales empujado mediante el nuevo método es una combinación de rigidizadores longitudinales (la propia célula triangular inferior más un rigidizador longitudinal por encima del tercio inferior del canto) y de dos rigidizadores verticales, dispuestos entre los marcos transversales.
- El ahorro en coste del nuevo método constructivo, frente a los sistemas tradicionales y para el caso extremo de 150 m de luz, se ha calculado en el entorno de un 5%.
- Mediante experimentación en túnel de viento instrumentado se han obtenido los coeficientes aerodinámicos de arrastre de secciones no convencionales: sección cajón de almas verticales e inclinadas abiertas, sección de doble cajón para distintas orientaciones del cajón superior tanto de almas verticales como de almas inclinadas, además de las mismas secciones con la losa superior.
Se ha observado que la influencia de los jabalcones en el comportamiento aerodinámico del tablero lanzado es significativa (15% de variación), así como la disposición de la losa superior del puente, lo que pone de manifiesto la importancia de considerar las distintas fases constructivas en estos estudios.
- Se han calculado las tres primeras frecuencias propias de vibración del voladizo de 150 m durante la fase pésima del lanzamiento, y se han obtenido valores por debajo de 1 Hz. Este hecho puede dar lugar a la aparición de fenómenos aeroelásticos, bajo determinadas condiciones de velocidad e intensidad de turbulencia del viento incidente. Se ha calculado la velocidad crítica para el fenómeno de inestabilidad de "galloping", siendo del orden de 13 m/s.
- English
During the bridge launching stage, the structure must resist different and bigger efforts (higher than those of its lifespan) as the process goes forward. Nowadays this efficient building system is limited by the maximum long span of the bridge and the patch loading phenomenon in slender steel webs. This Thesis designs and optimizes a new steel bridge launching method and a continuous pushing system. The challenge is to get a length of about 150 m, therefore the lateral span of the structure is used on the weakest cross sections during the launching. In this way, auxiliary means will not be needed and wasted time can be reduced. The new system allows to compete against another construction systems when a bridge has to be erected (basically cantilever or movable scaffolding for prestressed concrete bridges).
- español
