Evaluación y análisis de los efectos del viento sobre el puente Banafjäl (Västernorrland, Suecia) durante las fases constructivas

Abstract

[EN] Wind is dynamic by nature, but its actions on structures were considered as static loads until the collapse of Tacoma Narrows Bridge (1940). Nowadays, due to the developments in civil engineering, bridge designs are becoming slenderer and lighter, which makes wind dynamic effects even more important than wind static effects. Furthermore, some types of bridges show specially vulnerable situations during constructions stages, when the structure is lighter or does not have its final stiffness. The aim of this document is to assess the dynamic wind loading on simple girder bridges during their construction phases. Particularly, the studied section is formed by two steel beams supporting a concrete slab. The analysis was made when the concrete slab has not been built yet and only the steel parts are in their positions. Eurocode 1 proposes some analytical methods to analyse dynamic wind loads, but the parameters given are only for simple sections.

Several CFD simulations were done with the software Ansys-Fluent to find the aerodynamic parameters depending on section's dimensions. The geometrical parameters tested were the height of the beams (h), the distance between beams (d) and the height of the bridge (H). Three construction stages were analysed. First, when only one beam is exposed to the wind, second, when the two beams are in their final locations but they are not connected yet and, by last, when both beams are joined by the bracing. Extra fluid simulations were made with closed sections, in order to see if isolating the space between the beams with plates improves section's vulnerability. The results showed that vortex shedding effects are stronger in the along-wind direction due to the low horizontal bending stiffness of the beams and their high area perpendicular to the flow. Increasing beams' distance showed to be a good solution to reduce wind effects. However, the alternative of closing the section with light plates had the best results, decreasing the frequency of vortex shedding and its effects.

Moreover, the obtained results were used to analyse the vulnerability of Banafjäl Bridge with the methods proposed by Eurocode 1. The effects of vortex shedding on the bridge showed to be of importance only when just one beam is in its final location. The low actions seemed to be because of the low frequencies of the bridge, which caused the resonance to occur with low wind speeds. Increasing bridge's natural frequencies, the wind loads would increase, leading to high accelerations that could reduce the safety or the comfort of the workers. Anyway, the stresses were far from steel's elastic limit. Regarding buffeting loads, with wind speeds above 25-30 m/s, or 40-45 m/s when the bracing is done, the elastic limit of the steel was reached, leading to undesirable residual stresses in the beams. Increasing beams' width was in this case the best option to reduce buffeting effects.

[CA] L'objectiu d'aquest document és avaluar la càrrega dinàmica del vent en ponts de secció constant durant les seves fases de construcció. Particularment, la secció estudiada està formada per dos bigues d'acer que suporten una llosa de formigó. L'anàlisi es va realitzar quan la llosa de formigó encara no s'ha construït i només les peces d'acer estan en les seves posicions. La normativa europea proposa alguns mètodes analítics per analitzar les càrregues de vent dinàmiques, però els paràmetres donats són només per seccions simples.

Es van realitzar diverses simulacions de CFD amb el programari Ansys-Fluent per trobar els paràmetres aerodinàmics segons les dimensions de la secció. Els paràmetres geomètrics provats van ser l'altura de les bigues (h), la distància entre les bigues (d) i l'altura del pont (H). Es van analitzar tres etapes constructives. Primer, quan només una biga està exposada al vent, segon, quan ambdues bigues estan en les seves ubicacions finals però encara no estan connectades i, finalment, quan ambdues bigues estan connectades per peces d'acer. D'altra banda, es van realitzar més simulacions amb seccions tancades, per veure si l'aïllament de l'espai entre les bigues amb plaques millora la vulnerabilitat de la secció. Els resultats van mostrar que els efectes de despreniment de vòrtexs són més forts en la direcció del vent a causa de la baixa rigidesa de flexió horitzontal de les bigues i la seva gran àrea perpendicular al flux. L'augment de la distància entre les bigues va demostrar ser una bona solució per reduir els efectes del vent. No obstant això, l'alternativa de tancar la secció amb plaques lleugeres va tenir els millors resultats, disminuint la freqüència de despreniment de vòrtexs i els seus efectes.

A més, els resultats obtinguts es van utilitzar per analitzar la vulnerabilitat del pont Banafjäl amb els mètodes proposats per la normativa europea. Els efectes del despreniment de vòrtexs van demostrar ser importants només quan una biga està en la seva ubicació final. Els moderats efectes es van associar amb les baixes freqüències del pont, el que causaven que la ressonància es produïra amb baixes velocitats de vent. En augmentar les freqüències naturals del pont, la càrrega de vent augmentaria, el que portaria a altes acceleracions que podrien reduir la seguretat o la comoditat dels treballadors. De tota manera, les tensions distaven molt del límit elàstic de l'acer. Pel que fa a les càrregues degudes a turbulències del vent, amb velocitats del vent superiors a 25-30 m/s, o 40-45 m/s quan l'arriostrament està completat, es va assolir el límit elàstic de l'acer, el que causa tensions residuals indesitjables en les bigues. Augmentar l'ample de les bigues va ser en aquest cas la millor opció per reduir aquests efectes.

[ES] El objetivo de este documento es evaluar la carga dinámica del viento en puentes de sección constante durante sus fases de construcción. Particularmente, la sección estudiada está formada por dos vigas de acero que soportan una losa de hormigón. El análisis se realizó cuando la losa de hormigón aún no se ha construido y solo las piezas de acero están en sus posiciones. El Eurocódigo 1 propone algunos métodos analíticos para analizar las cargas de viento dinámicas, pero los parámetros dados son solo para secciones simples.

Se realizaron varias simulaciones de CFD con el software Ansys-Fluent para encontrar los parámetros aerodinámicos según las dimensiones de la sección. Los parámetros geométricos probados fueron la altura de las vigas (h), la distancia entre las vigas (d) y la altura del puente (H). Se analizaron tres etapas constructivas. Primero, cuando solo una viga está expuesta al viento, segundo, cuando las dos vigas están en sus ubicaciones finales pero aún no están conectadas y, por último, cuando ambas vigas están conectadas por piezas de acero. Por otra parte, se realizaron más simulaciones con secciones cerradas, para ver si el aislamiento del espacio entre las vigas con placas mejora la vulnerabilidad de la sección. Los resultados mostraron que los efectos de desprendimiento de vórtices son más fuertes en la dirección del viento debido a la baja rigidez de flexión horizontal de las vigas y su gran área perpendicular al flujo. El aumento de la distancia de los rayos demostró ser una buena solución para reducir los efectos del viento. Sin embargo, la alternativa de cerrar la sección con placas ligeras tuvo los mejores resultados, disminuyendo la frecuencia de desprendimiento de vórtices y sus efectos.

Además, los resultados obtenidos se utilizaron para analizar la vulnerabilidad del puente Banafjäl con los métodos propuestos por el Eurocódigo 1. Los efectos del desprendimiento de vórtices demostraron ser importantes solo cuando una viga está en su ubicación final. Los moderados efectos se asociaron con las bajas frecuencias del puente, lo que causaban que la resonancia se produjera con bajas velocidades de viento. Al aumentar las frecuencias naturales del puente, la carga de viento aumentaría, lo que llevaría a altas aceleraciones que podrían reducir la seguridad o la comodidad de los trabajadores. De todos modos, las tensiones distaban mucho del límite elástico del acero. Con respecto a las cargas debidas a la turbulencia del viento, con velocidades del viento superiores a 25-30 m/s, o 40-45 m/s cuando el arriostramiento está completado, se alcanzó el límite elástico del acero, lo que lleva a tensiones residuales indeseables en las vigas. Aumentar el ancho de las vigas fue en este caso la mejor opción para reducir dichos efectos.