Parametric study and sensitivity analysis of Hyperloop viaducts to their design parameters. Application to a typical viaduct section with constant span length

Abstract

[EN] The design of viaducts for the novel transportation system Hyperloop (HL) faces a range of challenges that are substantially different from the typical design problems of a railway viaduct. HL vehicles travel inside a tube at ultra-high speed (maybe above 1000 km/h) in almost-vacuum conditions. Self-supporting tube structures can't be designed as conventional bridge decks, because it is not possible to design rigid diaphragms inside the cross-section, the net pressure resulting from vacuum must be resisted, and the thermal expansion of the tube has to be accommodated or restrained. The interaction between the ultra-high speed vehicle and the structure is another factor of non-conventional structural problems. The starting point of this Master Thesis is a Python tool for the automatic generation of beam and beam-shell hybrid FE models able to be processed by the open-source program Kratos Multiphysics. The main objective of the thesis is to gain knowledge about the structural response of self-supporting tube viaducts for the Hyperloop transportation system. More specifically, about the sensitivity of the response with respect to general design parameters, such as span width, tube diameter, tube thickness and stiffener distance, among others. The analysis will focus on static problems and will consider linear combination of load patterns, determination of buckling loads and non-linear response for relevant load combinations.

[ES] El diseño de viaductos para el novedoso sistema de transporte Hyperloop (HL) se enfrenta a diversos desafíos que son sustancialmente diferentes de los problemas de diseño típicos de un viaducto ferroviario. Los vehículos HL viajan dentro de un tubo a muy alta velocidad (probablemente por encima de 1000 km/h) en condiciones de semi-vacío. Las estructuras de tubos autoportantes no se pueden diseñar como tableros de puentes convencionales, dado que no es posible diseñar diafragmas rígidos dentro de la sección transversal, se debe resistir la presión neta resultante del vacío y se debe controlar la expansión térmica del tubo, que puede ser permitida o restringida. La interacción entre el vehículo de muy alta velocidad y la estructura es también origen de problemas estructurales no convencionales. El punto de partida de este Trabajo Fin de Máster es una herramienta de Python para la generación automática de modelos FE híbridos viga y viga-lámina capaces de ser procesados ​​por el programa de código abierto Kratos Multiphysics. El objetivo principal de la tesis es conocer la respuesta estructural de los viaductos tubulares autoportantes para el sistema de transporte Hyperloop. Más específicamente, sobre la sensibilidad de la respuesta con respecto a los parámetros generales de diseño, tales como el ancho de la luz, el diámetro del tubo, el espesor del tubo y la distancia del rigidizador, entre otros. El análisis se centrará en problemas estáticos y considerará la combinación lineal de patrones de carga, la determinación de cargas de pandeo y la respuesta no lineal para combinaciones de carga relevantes.