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

Abstract

[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.