Curved steel girder bridges: overview of typical erection procedure and analysis workflow improvements

Abstract

Steel girder bridges are one of the most common type of bridges due to the efficiency in short to medium span lengths. Curved steel girders bridges specifically have the advantage of being able to follow a specific road alignment along a site with limited space, such as high-density urban areas. Curved girders, however, have a disadvantage compared to straight girders during the erection stage. Their shape makes them naturally want to overturn due to the gravity loads. Torsional forces are also magnified, second-order effects may cause web-buckling. To adequately capture the behavior of the bridge during erection, a 3D FEA model needs to be developed, discretizing the curve girder in a series of straight elements. Current practice usually involves the modeling of the analysis model in a CAD software to then be imported into a FEA software, or the use of highly specialized bridge modeling software to parametrically model the bridge. Each of these methods have their inherent advantages and disadvantages, but both are problematic when sensitivity analysis or geometry modifications are required, since sometimes is faster to just start from scratch than to modify the existing models. The purpose of this thesis is to propose a methodology to be easily implemented by any engineering office with easily accessible software, such as spreadsheets and their FEA software choice. To achieve that, after walking through the typical constraints that define the staged construction of the curved steel girders and its analysis, a modeling methodology based on the element IDs of joints, frames and plate elements is proposed to speed up the creation of the FEA model and its modification for sensitivity analysis purposes. The methodology described is then applied to a specific case scenario, and results between the same bridge with two different mesh sizes are compared. The results prove that the methodology proposed is an appropriate alternative to the current modeling practices, and can be used to quickly perform sensitivity analysis with different mesh sizes without having to invest large amounts of time in modifying existing models.

Los puentes de vigas de acero son uno de los tipos de puentes más comunes debido a su eficiencia en luces cortas a medianas. Los puentes de vigas de acero curvas, en particular, tienen la ventaja de poder seguir una alineación de carretera específica en zonas con espacio limitado, como pueden ser las áreas urbanas de alta densidad. Sin embargo, las vigas curvas tienen una desventaja en comparación con las vigas rectas durante la etapa de montaje. Su geometría en planta hace que, de forma natural, tiendan a volcarse debido a las cargas de gravedad. Las fuerzas de torsión también se magnifican y los efectos de segundo orden pueden causar el pandeo del alma. Para capturar adecuadamente el comportamiento del puente durante el montaje, se debe desarrollar un modelo de análisis de elementos finitos 3D, que discretice la viga curva en una serie de elementos rectos. La práctica actual generalmente implica modelar el análisis en un software CAD para luego importarlo a un software de FEA, o el uso de un software de modelado de puentes especializado para modelar el puente paramétricamente. Cada uno de estos métodos tiene sus ventajas y desventajas inherentes, pero ambos son problemáticos cuando se requieren análisis de sensibilidad o modificaciones de la geometría, ya que a veces es más rápido empezar de cero que modificar los modelos existentes. El propósito de esta tesis es proponer una metodología que pueda ser implementada fácilmente por cualquier oficina de ingeniería con software accesible, como hojas de cálculo y el software de cálculo de elección. Para lograrlo, después de analizar las limitaciones típicas que definen la construcción por fases de las vigas de acero curvas y su análisis, se propone una metodología de modelado basada en el número de identificación de los nodos, elementos de línea, y elementos de área, para acelerar la creación del modelo FEA y su modificación posterior con el propósito de realizar análisis de sensibilidad. La metodología descrita se aplica luego a un caso específico y se comparan los resultados entre el mismo puente con dos tamaños de malla diferentes. Los resultados demuestran que la metodología propuesta es una alternativa adecuada a las prácticas de modelado actuales y se puede utilizar para realizar rápidamente análisis de sensibilidad con diferentes tamaños de malla sin tener que invertir grandes cantidades de tiempo en la modificación de los modelos existentes.