Proyecto Cátedra Arenas: análisis paramétrico de pilas esbeltas de puentes ferroviarios de alta velocidad, en régimen no lineal

Abstract

Los viaductos ferroviarios de alta velocidad en España, condicionados en parte por la orografía del territorio y por las exigentes condiciones de trazado, suelen presentar pilas de una altura significativa, donde los efectos de segundo orden adquieren gran importancia debido a su elevada esbeltez. Estos efectos deben ser considerados en el cálculo porque, si se realiza un cálculo en teoría de primer orden, puede llevar a resultados alejados del comportamiento real de la estructura. A la hora de calcular en teoría de segundo orden hay que tener en cuenta la no linealidad geométrica, que puede generar fenómenos de inestabilidad al considerar en el cálculo la geometría deformada de la estructura, y la no linealidad mecánica, al utilizar materiales con comportamiento no lineal para estados avanzados de carga y la fisuración del hormigón en aquellas zonas en las que esté traccionado. La no linealidad del problema se puede analizar en un modelo de pila aislada, quedando los resultados del lado de la seguridad, pero no permite alcanzar la optimización estructural del puente. Esto se debe a que no se puede representar de forma adecuada la vinculación con el tablero y la interacción entre las distintas pilas, que puede apreciarse al considerar un modelo global. Otra forma de análisis es mediante programas de cálculo, analizando esta vez sí la estructura completa. Esto lleva a modelos muy complejos, que son más una herramienta de verificación que de diseño. Para evitar ese tipo de cálculos, en este Trabajo Fin de Máster se plantea un cálculo iterativo de la estructura completa que permita tener en cuenta los efectos de segundo orden de forma sencilla, teniendo en cuenta en todo momento los fenómenos físicos que ocurren en el proceso. Para establecer la metodología propuesta en este trabajo, se definen unas bases de diseño que recogen los diferentes datos de partida y consideraciones llevadas a cabo. Entonces, se define el procedimiento de cálculo, que consiste en un cálculo lineal en el que la carga de frenado se aplica por fases de carga para considerar la geometría deformada del problema, y en el que la no linealidad mecánica se tiene en cuenta en cada iteración al considerar la inercia fisurada de las distintas secciones de la pila. Este proceso se repite hasta que se alcanza la convergencia del modelo. Este cálculo iterativo se complementa con la generación de un modelo paramétrico, que permita analizar diferentes geometrías y configuraciones de armadura, de una forma rápida y sencilla, a partir de una serie de datos de entrada. Así, se crea de forma automática tanto la geometría de la estructura como el modelo de cálculo. Esta forma de trabajo supone un ahorro de tiempo a la hora de realizar el cálculo de la estructura, proporcionando al ingeniero una herramienta de diseño, liberándole de los procesos repetitivos y de bajo valor añadido.

High-speed railway viaducts in Spain, partly conditioned by the orography of the territory as well as by the demanding layout conditions, usually present piles of a significant height, where second order effects acquire great importance due to their high slenderness. These effects must be considered in the calculation because, if a calculation is made in first-order analysis, it can lead to results that are far removed from the real behaviour of the structure. When calculating in second-order analysis, it is essential to consider geometric non linearity, which can generate instability phenomena when considering the deformed geometry of the structure in the calculation, and mechanical non-linearity, when using materials with non-linear behaviour for advanced states of loading and cracking of the concrete in those areas where it reaches tensile strength. The non-linearity of the problem can be analysed in an isolated pier model, leaving the results on the safety side, but this does not allow the structural optimisation of the bridge to be achieved. This is because the linkage with the deck and the interaction between the individual piers, which occurs when considering a global model, cannot be satisfactorily represented. Another form of analysis is by means of calculation programmes, this time analysing the complete structure. This leads to very complex models, which are more of a verification tool than a design tool. In order to avoid this type of calculation, this Master's Thesis proposes an iterative calculation of the complete structure that allows second-order effects to be taken into account in a simple way, bearing in mind at all times the physical phenomena that occur in the process. To establish the methodology proposed in this work, a design basis is defined which includes the different initial data and considerations made. Then, the calculation procedure is defined, which consists of a linear calculation in which the braking load is applied by load phases to consider the deformed geometry of the problem, and in which the mechanical non-linearity is reflected in each iteration when considering the cracked inertia of the different sections of the pile. This process is repeated until convergence of the model is reached. This iterative calculation is complemented by the generation of a parametric model, which allows different geometries and reinforcement configurations to be analysed quickly and easily from a series of input data. Thus, both the geometry of the structure and the calculation model are created automatically. This way of working saves time when calculating the structure, providing the engineer with a design tool, freeing him from repetitive and low added-value processes.