Simulation of cantilever construction of cable-stayed bridges taking creep into account

Abstract

In the design of cable-stayed bridges, the construction analysis is very important since the worst stresses are usually reached during the construction process. In addition, if the bridge is made of concrete, the effects of time dependent phenomena have great importance. Some commercial software are able to simulate the construction process, but one of their main drawbacks is that they simulate in a backward approach where creep is difficult to analyze. In this thesis two new criteria to define the Objective Service Stage (OSS) are presented which take the constructive process into account. Tensioning operations are very expensive, so the main goal is to define the pretension forces in the stays such that only one pretension operation is necessary in each stay. Furthermore, an algorithm has been developed to simulate the construction process of cable-stayed bridges erected by cantilever method. This algorithm includes the creep effects into the structure. The Dischinger simplification, which is explained in this document, has been improved in order to better take into account the loading time and the age of the concrete in every stage. The creep simulation of the algorithm has been validated with some patch tests. The developed algorithm has been implemented in a full scale FEM model adapted from the Giribaile Dam project developed in 1990. In this study case, the new OSS criteria are implemented. Moreover, the axial forces in the stays, the bending moments, and the displacements are analyzed during the construction process and a comparison is carried out between two cases: with and without taking creep into account. With the first new OSS criterion, the Objective Service Stage is achieved without taking the creep into account. However the creep effects, which are of huge importance in concrete bridges built by cantilever method, require the definition of an OSS which considers time dependent phenomena, which has been defined in this thesis (second criterion).

En el diseño de puentes atirantados el análisis del proceso constructivo es muy importante ya que los esfuerzos críticos en la estructura se producen normalmente durante la construcción. Además, si el puente es de hormigón, los efectos que dependen del tiempo tienen gran importancia. Algunos programas de cálculo comerciales pueden simular el proceso constructivo, pero uno de sus mayores inconvenientes es que simulan el proceso en el sentido contrario al de la construcción, por lo que la fluencia es difícil de analizar. Esta tesis presenta dos nuevos criterios para definir el Estado de Servicio Objetivo (OSS) considerando el proceso constructivo. Las operaciones de tesado son muy caras. Por esta razón es aconsejable definir unas fuerzas de tesado en los cables con las cuales solo sea necesario una sola operaci´on de tesado en cada cable. También se ha desarrollado un algoritmo para simular el proceso constructivo de puentes atirantados construidos por voladizos sucesivos. Este algoritmo incluye los efectos de la fluencia en la estructura. La simplificación de Dischinger, la cual es explicada en este documento, se ha mejorado. De esta forma se tiene mejor en cuenta la edad del hormigón y el tiempo de carga en las distintas etapas. La simulación de la fluencia ha sido validada con algunos patch tests. El algoritmo desarrollado se ha implementado en un modelo de elementos finitos adaptado del proyecto de la presa de Giribaile desarrollado en 1990. En el estudio de este caso se han implementado los dos nuevo criterios de OSS. Además se ha analizado las fuerzas en los cables, los momentos y los desplazamientos durante la construcción. También se ha comparado los resultados de dos casos: considerando y sin considerar los efectos de la fluencia. Con el primer nuevo criterio de OSS se llega al Estado de Servicio Objectivo si no se considera la fluencia. Sin embargo, los efectos de la fluencia, los cuales son muy importantes en puentes de hormigón construidos por voladizos sucesivos, hacen necesario que se defina un OSS en el que se considere los efectos dependientes del tiempo, el cual se ha desarrollado en esta tesis (segundo criterio).