A fully numerical methodology for optimization of deck shape and cables size in long-span bridges considering aeroelastic and structural constraints

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http://hdl.handle.net/2183/19295
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Collections
- Teses de doutoramento [2195]
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A fully numerical methodology for optimization of deck shape and cables size in long-span bridges considering aeroelastic and structural constraintsAuthor(s)
Directors
Hernández Ibáñez, SantiagoNieto Mouronte, Félix
Date
2017Abstract
[Abstract]
Structural optimization techniques have the potential to become a powerful tool in
the design of long-span bridges. The search for more efficient and reliable designs
involves considering shape variations in the deck cross-section, which is one of the
key features of a bridge. This affects to the deck aerodynamics and its mechanical
properties, and consequently to the aeroelastic response of the bridge. A numerical
approach pursuing to optimize a long-span bridge needs to explore changes in the deck
shape, including structural and aeroelastic responses as design constraints. Therefore,
the flutter response of the bridge must be numerically computed for every candidate
proposed by the optimization algorithm.
This work presents a novel approach to conduct the optimization of the deck shape and
the cables size of long-span cable-stayed bridges considering simultaneously aeroelastic
and structural constraints. The design variables considered in the application examples
presented in this thesis are the cross-section area and the prestressing force of each
stay, the deck plates thickness and the deck shape design variables. The aeroelastic
constraint, namely the flutter speed, is evaluated based on a fully numerical procedure
developed in this work. A series of parameter variation studies, that are instrumental
for the sound interpretation of the optimum designs obtained, are also reported.
The proposed approach has succesfully been applied in two application cases considering
cable-stayed bridges with main span lengths of 658 m and 1316 m. [Resumen]
Las técnicas de optimización estructural tienen el suficiente potencial para convertirse
en una formidable herramienta en el diseño de puentes de gran vano. La búsqueda de
diseños más eficientes y fiables conlleva a la consideración de variables de forma en la
sección del tablero, que es uno de los elementos fundamentales del puente. Esto afecta a
la aerodinámica del tablero, así como a sus propiedades mecánicas, y en consecuencia
a la respuesta aeroelástica del puente. Por tanto, un procedimiento numérico que
pretenda optimizar puentes de gran vano está obligado a considerar variaciones en la
forma del tablero, incluyendo condiciones de diseño relacionadas con las respuestas
estructurales y aeroelásticas del puente. Consecuentemente, la velocidad de flameo del
puente debe ser calculada numéricamente para cada diseño propuesto por el algoritmo
de optimización.
Este trabajo presenta un método innovador para llevar a cabo la optimización de
forma del tablero y de tamaño de los cables de un puente atirantado de gran vano,
considerando simultáneamente condiciones aeroelásticas y estructurales. Las variables
de diseño consideradas en los ejemplos de aplicación que se presentan en esta tesis son
las áreas y las fuerzas de pretesado de los cables, el espesor de las chapas del tablero y
variables relacionadas con la forma de la sección transversal del tablero. La condición
aeroelástica, concretamente la velocidad de flameo, se evalúa mediante un proceso
puramente computacional desarrollado en el presente trabajo. Además, se presentan
un conjunto de estudios de variación de parámetros con la finalidad de facilitar la
comprensión de los diseños óptimos obtenidos.
La metodología propuesta se ha aplicado satisfactoriamente a dos puentes atirantados
con longitud de vano principal de 658 y 1316 metros. [Resumo]
As técnicas de optimización estrutural teñen o suficiente potencial para converterse
nunha formidable ferramenta no deseño de pontes de gran van. A procura de deseños
máis eficientes e fiables leva á consideración de variables de forma na sección do
taboleiro, que é un dos elementos fundamentais da ponte. Isto afecta á aerodinámica
do taboleiro, así como ás súas propiedades mecánicas, e en consecuencia á resposta
aeroelástica da ponte. Por tanto, un procedemento numérico que pretenda optimizar
pontes de gran van está obrigado a considerar variacións na forma do taboleiro, incluíndo
condicións de deseño relacionadas coas respostas estruturais e aeroelásticas
da ponte. Consecuentemente, a velocidade de flameo da ponte debe ser calculada
numericamente para cada deseño proposto polo algoritmo de optimización.
Este traballo presenta un método innovador para levar a cabo a optimización de forma
do taboleiro e de tamaño dos cables dunha ponte atirantado de gran van, considerando
simultaneamente condicións aeroelásticas e estruturais. As variables de deseño consideradas
nos exemplos de aplicación que se presentan nesta tese son as áreas e de tamaño
dos cables dunha ponte atirantado de gran van, o espesor das chapas do taboleiro e
variables relacionadas coa forma da sección transversal do taboleiro. A condición
aeroelástica, concretamente a velocidade de flameo, avalíase mediante un proceso puramente
computacional desenvolvido no presente traballo. Ademais, preséntanse un
conxunto de estudos de variación de parámetros coa finalidade de facilitar a comprensión
dos deseños óptimos obtidos.
A metodoloxía proposta aplicouse satisfactoriamente a dúas pontes atirantados con
lonxitude de van principal de 658 e 1316 metros.
Keywords
Puentes atirantados-Diseño y construcción
Puentes-Aberturas
Puentes-Aberturas
Rights
Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España