Refuerzo de puentes de luces medias por conversión en arco atirantado tipo network

Según estudios estadísticos a nivel mundial, una de las principales causas de fallos en puentes corresponde a problemas relacionados con la interacción entre estructura e hidráulica produciendo altos costos humanos y económicos. La mayoría de las patologías se relacionan con procesos de socavación y erosión en pilas y estribos, específicamente en las cimentaciones de las pilas, siendo necesario tomar medidas para su refuerzo. Las dificultades en la inspección y mantenimiento de la infraestructura, junto con la ineficiencia y elevados costos en la implementación de los refuerzos convencionales (pilotajes, recrecidos, entre otros) ha motivado al Departamento de Puentes, Ministerio de Obras Públicas de Chile, el desarrollo de una nueva técnica de refuerzo con el objetivo de eliminar la causa de la patología: las pilas y sus cimentaciones, focalizándose el estudio en puentes con tipología de viga continua de varios vanos de hormigón armado. La metodología propuesta considera el cambio estructural del puente incorporando arcos superiores atirantados con configuración de péndolas network y vertical encargados de levantar tablero y esfuerzos en el arco. A partir de ello, se verifica el comportamiento del refuerzo en etapas de construcción y posteriormente en estado de servicio mediante un análisis de las cargas de tráfico y accidentales (capítulo 5). Los resultados dan lugar a la sistematización del método de refuerzo alternativo propuesto, incluyendo la propuesta estructural y tecnológica, la factibilidad del proceso constructivo y, finalmente, un conjunto de criterios básicos de diseño para este tipo de refuerzos (capítulo 6). Finalmente, la validación estructural del método y un primer estudio económico de costes comparado respecto a otros métodos convencionales de refuerzo, entregan para futuros ingenieros un conjunto de criterios y recomendaciones básicas para la implementación de esta técnica. el tablero del puente original, el cuál, gracias a la aplicación de un pretensado exterior, actúa como tirante del sistema del arco, contrarrestando los empujes horizontales del mismo en los arranques. El levantamiento del tablero desde los soportes permite la demolición de éstos, reduciendo los riesgos relacionados con la interacción de la estructura con el flujo del cauce; además de reutilizar parte del puente original y entregar un nuevo concepto estético. Para determinar la factibilidad del método, se pone énfasis en el estudio del método constructivo a partir del proceso de tesado de las péndolas así como en su comportamiento en servicio posterior, teniendo en cuenta las solicitaciones sísmicas, de gran importancia en Chile. El proceso constructivo a plantear debe satisfacer dos requisitos fundamentales: evitar tensiones excesivas en el tablero para no superar las solicitaciones existentes en el puente original; y permitir un levantamiento total de la superestructura desde las pilas dañadas. El tener que mantener unos determinados niveles de tensión en el tablero original supone una complejidad adicional respecto a lo que sería el diseño y construcción de un puente arco tipo network totalmente nuevo. Nos encontramos pues ante un problema de optimización (orden y magnitud de las fuerzas de tesado para levantar el tablero) con fuertes condiciones de contorno (no superar los niveles máximos de esfuerzos en el tablero original). Frente a la complejidad del proceso de optimización multiobjetivo del proceso de tesado, se descarta el uso de una optimización manual (prueba y error), en favor de una metodología que combina el uso automatizado de programas de elementos finitos y métodos de optimización meta-heurísticos (algoritmos genéticos). Esta herramienta, desarrollada, calibrada y validada (capítulo 3), proporciona todo un conjunto de soluciones factibles del proceso constructivo. El algoritmo desarrollado se utiliza como herramienta para el estudio e implementación de esta metodología en dos puentes carreteros ubicados en la zona central de Chile, con tipología original de viga continua y con importantes problemas de socavación: San Luis (60 metros de longitud total distribuidos en cuatro vanos) y Puangue (72 metros de longitud total distribuidos en cuatro vanos). Mediante la aplicación práctica a estos dos puentes carreteros, se desarrolla un estudio paramétrico en etapa constructiva (capítulo 4), considerando como variables: el tipo de perfil del arco, la configuración de las péndolas network, entre otros, entregándose la influencia que tiene cada una de ellas en relación a la capacidad de levantamiento, admisibilidad de tensiones en elAccording to statistical studies worldwide, one of the main causes of damages in bridges correspond to problems related to the interaction between structure and hydraulic provoking high human and economic costs. Most pathology is related to processes of scour and erosion in piers and abutments, specifically in the foundations of the piers, being necessary to take strengthening measures. The difficulties in inspection and maintenance of infrastructure, and the inefficiency related to the high costs in the implementation of conventional strengthening methods (pile driving, screeds, etc.) has prompted the Department of Bridges, Ministry of Public Works of Chile, the development of a new method of strengthening in order to eliminate the cause of the pathology: the piers and its foundations, focusing the study on continuous bridges with several spans and cross-section of built up reinforced concrete beams plus an upper slab. The proposed methodology considers a structural change of bridge by the incorporation of upper arches with a network and vertical hangers arrangement, which, through the application of external prestressing, allows the system to behave as a bow tied, balancing the horizontal thrusts in its edges. The lifting of the deck from the supports via the vertical hangers allows their demolition, reducing the risks associated with the interaction of the structure with the river flow (scour), in addition to reuse the original bridge and deliver a new aesthetic. To determine the feasibility of the method, the study emphasizes on the construction method, specially on the process of tensioning of the hangers and their behaviour in service, considering the seismic loads, relevant in Chile. The construction process proposed must satisfy two fundamental requirements: to avoid excessive stress on the deck not to exceed the stresses existing in the original bridge or the maximum material strength and allowing a total lift of the superstructure from the damaged piers. Maintain certain level of stress on the original deck is an additional significant complexity, compared with the design and construction of a new network arch bridge. This derives on an optimization problem (order and magnitude of tensioning forces to lift the deck) with strong boundary conditions (not to exceed the maximum internal forces in the original deck). Given the complexity of multi-objective optimization of the tensioning process, the use of manual optimization (trial and error) is rejected, for a methodology that combines the use of automated finite element programs and methods of optimization meta-heuristics (genetic algorithms). This tool, developed, calibrated and validated (Chapter 3) provides a whole set of feasible solutions of the construction process. The algorithm developed is used as a tool for the study and implementation of this methodology on two highway bridges located in central Chile, with a original typology of continuous beam and important problems of scour: San Luis (60 meters total length in four spans) and Puangue (72 meters total length in four spans). Through the practical application of these two road bridges, a parametric study of the constructive stages is developed (Chapter 4), considering as variables: the arch profile, the network hangers arrangement, among others, giving the influence of each in relation to the lifting capacity, admissibility of stresses in the deck and internal forces in the arch. From this, the performance in construction and service stages is studied through an analysis of traffic and accidental loads (chapter 5). The results, lead to the systematization of the strengthening proposed method, including structural and technological proposals, the feasibility of the construction process and finally, a set of basic design criteria for this type of strengthening (Chapter 6). Finally, the structural validation of the method and a first economic study of costs compared to other conventional strengthening methods give a set of criteria and recommendations for the implementation of this technique.Segons estudis estadístics a nivell mundial, una de les principals causes de fallades en ponts correspon a problemes relacionats amb la interacció entre estructura i hidràulica produint alts costos humans i econòmics. La majoria de les patologies es relacionen amb processos de soscavació i erosió en piles i estreps, específicament en les fonamentacions de les piles, i caldrà prendre mesures per reforç. Les dificultats en la inspecció i manteniment de la infraestructura, juntament amb la ineficiència i elevats costos en la implementació dels reforços convencionals (pilotatges, recrescuts, entre altres) ha motivat al Departament de Ponts, Ministeri d'Obres Públiques de Xile, el desenvolupament de una nova tècnica de reforç amb l'objectiu d'eliminar la causa de la patologia: les piles i els seus fonaments, focalitzant l'estudi en ponts amb tipologia de biga contínua de diversos trams de formigó armat. La metodologia proposada considera el canvi estructural del pont incorporant arcs superiors atirantats amb configuració de pèndoles network i vertical encarregats d'aixecar el tauler del pont original, el qual, gràcies a l'aplicació d'un pretensat exterior, actua com tirant del sistema de l'arc, contrarestant les empentes horitzontals de la mateixa en les arrencades. L'aixecament del tauler des dels supports permet la demolició d'aquests, reduint els riscos relacionats amb la interacció de l'estructura amb el flux de la llera, a més de reutilitzar part del pont original i donar un nou concepte estètic. Per determinar la factibilitat del mètode, es posa èmfasi en l'estudi del mètode constructiu a partir del procés de tesat de les pèndoles així com en el seu comportament en servei posterior, tenint en compte les sol·licitacions sísmiques, de gran importància a Xile. El procés constructiu a plantejar ha de satisfer dos requisits fonamentals: evitar tensions excessives en el tauler per no superar les sol·licitacions existents en el pont original, i permetre un aixecament total de la superestructura des de les piles danyades. El haver de mantenir uns determinats nivells de tensió en el tauler original suposa una complexitat addicional respecte al que seria el disseny i construcció d'un pont arc tipus network totalment nou. Ens trobem doncs davant d'un problema d'optimització (ordre i magnitud de les forces de tesat per aixecar el tauler) amb fortes condicions de contorn (no superar els nivells màxims d'esforços en el tauler original). Davant la complexitat del procés d'optimització multiobjectiu del procés de tesat, es descarta l'ús d'una optimització manual (prova i error), a favor d'una metodologia que combina l'ús automatitzat de programes d'elements finits i mètodes d'optimització meta-heurístics (algorismes genètics). Aquesta eina, desenvolupada, calibrada i validada (capítol 3), proporciona tot un conjunt de solucions factibles del procés constructiu. El algorisme desenvolupat s'utilitza com a eina per a l'estudi i implementació d'aquesta metodologia en dos ponts carreters ubicats a la zona central de Xile, amb tipologia original de biga contínua i amb importants problemes de soscavació: Sant Lluís (60 metres de longitud total distribuïts en quatre obertures) i Puangue (72 metres de longitud total distribuïts en quatre obertures). Mitjançant l'aplicació pràctica a aquests dos ponts carreters, es desenvolupa un estudi paramètric en etapa constructiva (capítol 4), considerant com a variables: el tipus de perfil del arc, la configuració de les pèndoles network, entre altres, lliurant la influència que té cada una d'elles en relació a la capacitat d'aixecament, admissibilitat de tensions en el tauler i esforços en l'arc. A partir d'això, es verifica el comportament del reforç en etapes de construcció i posteriorment en estat de servei mitjançant una anàlisi de les càrregues de trànsit i accidentals (capítol 5). Els resultats donen lloc a la sistematització del mètode de reforç alternatiu proposat, inclosa la proposta estructural i tecnològica, la factibilitat del procés constructiu i, finalment, un conjunt de criteris bàsics de disseny per a aquest tipus de reforços (capítol 6). Finalment, la validació estructural del mètode i un primer estudi econòmic de costos comparat respecte a altres mètodes convencionals de reforç, lliuren per a futurs enginyers un conjunt de criteris i recomanacions bàsiques per a la implementació d'aquesta tècnica.Postprint (published version