Structural behaviour and design criteria of spatial arch bridges
Authors:   , Sarmiento Comesías Marta 
Published: July 2023

Spatial Arch Bridges (SABs) are defined as bridges in which vertical deck loads produce bending moments and shear forces not contained in the arch plane due to their geometrical and structural configuration. Moreover, the arch itself may not be contained in a plane. A wide compilation of examples of this bridge type has been made. Different benchmarks have been developed to assure the validity of the analysis methods employed in the present research.
An in-depth study of planar and non-planar Inferior Deck Arch Bridges With Imposed Curvature (IDABWIC) has been carried out. In this type of spatial arch bridges the arch and the deck centroid lines are both contained in the same vertical cylinder. The aim of the study is to propose the most appropriate design for controlling the out-of-plane response.
In order to understand the behaviour of these arches, different frame 3D models have been developed and analyzed with commercial software. The arch definition, the deck and arch plan curvature, the arch sag and cross-sections rigidity of arch, deck and hangers, as well as arch cross-section area and different hanger/deck and hanger/arch connection types, have been studied as variables under both symmetrical and asymmetrical vertical loading. Both flexible and rigid hangers have been analysed.
A thorough study for different geometries and boundary conditions at deck abutments of superior deck true SABs under vertical loading and temperature variation has been conducted.
The purpose of the study is to understand the structural behaviour of different geometries of this bridge type and to establish the best boundary conditions at abutments in each case. Vertical planar arch bridges with a curved superior deck are spatial arch bridges (SABs) with a very characteristic structural behaviour and many interesting structural and aesthetic possibilities.
A thorough parametric analysis has been conducted in order to establish efficient values of different parameters for this bridge type according to different criteria. The objective is to minimize the total amount of structural materials.
An appropriate range of values for the different parameters (arch/deck eccentricity, arch rise, arch/deck vertical distance, inclination of struts and the cross-section of the different elements) is given and it is established which parameters are key to the bridge behaviour. The changes in the structural behaviour according to the different parameters are explained.
The stability of SABs with a curved deck is studied and compared with that of planar vertical arch bridges with a straight deck.
For different models of this bridge type geometrically non-linear analyses with and without imperfections have been conducted.
The sensibility to imperfections has also been studied, considering the coded imperfections based on the behaviour of planar vertical arch bridges.
Most SABs are footbridges. Therefore, the dynamic behaviour of this bridge type is an important aspect to be considered. The dynamic behavior of this type of footbridges has been hence also conducted for a SAB example with curved superior deck.

Definimos como Puentes Arco Espaciales (PARES) todo puente arco en el que, por su configuración geométrica y estructural, las cargas gravitatorias generan flexiones y cortantes no contenidos en el plano del arco. Además, el propio arco puede no estar contenido en un plano. Se ha llevado a cabo una amplia recopilación de realizaciones de este tipo de puentes. se han desarrollado varios benchmarks para asegurar la validez de los métodos de análisis empleados en la presente investigación. Se ha realizado un amplio estudio de los Puentes Arco de Tablero Inferior con Curvatura Impuesta planos y no planos. En este tipo de puentes arco espaciales el eje del arco y del tablero están contenidos en el mismo cilindro vertical. El objetivo del estudio es proponer el diseño más apropiado para controlar la respuesta fuera del plano del arco. Con el fin de entender el comportamiento de estos arcos, se han desarrollado y analizado diferentes modelos de barras en 3D marco con un software comercial. La definición del arco, de la curvatura del tablero y de la curvatura del arco en planta, la flecha horizontal del arco ceder y la rigidez de las secciones transversales del arco, del tablero y de las péndolas, así como el área de la sección transversal del arco y distintos tipos de conexión péndolas/ tablero y péndolas/arco, se han estudiado como variables bajo tanto carga vertical simétrica como asimétrica en tablero. Se ha considerado el uso tanto de péndolas flexibles como rígidas. Se han estudiado diferentes geometrías y condiciones de contorno en los estribos del tablero para PARES de tablero superior bajo carga vertical y variación de temperatura. El propósito del estudio es entender el comportamiento estructural de distintas geometrías de este tipo puentes y establecer las condiciones de contorno más convenientes en estribos de tablero para cada caso. Los puentes con un arco plano vertical con tablero superior curvo son PARES con un comportamiento estructural muy característico e interesantes posibilidades estructurales y estéticas. Se ha realizado un amplio análisis paramétrico con el fin de establecer valores eficientes para diferentes parámetros en este tipo de puentes de acuerdo con distintos criterios. El objetivo es minimizar la cantidad total de materiales estructurales empleados. Se da un rango adecuado de los valores de diferentes parámetros (excentricidad arco/ tablero, flecha del arco, distancia vertical arco/tablero, inclinación de pilas y la sección transversal de los diferentes elementos) y se establece qué parámetros son fundamentales para el comportamiento de estos puentes. Se explica la influencia de la variación de los distintos parámetros estudiados en la respuesta estructural. La estabilidad de los PARES con tablero se estudia y compara con la de los puentes en arco planos verticales con tablero recto. Se ha llevado a cabo un análisis no lineal geométrico con y sin imperfecciones para diferentes modelos de este tipo puentes. La sensibilidad a las imperfecciones también ha sido estudiada, teniendo en cuenta las imperfecciones estipuladas en los Eurocódigos, basados en el comportamiento de los puentes en arco planos verticales con tablero recto. La mayoría de los PARES son pasarelas. Por lo tanto, el comportamiento dinámico de este tipo puente es un aspecto importante a considerar. Así pues, se ha llevado a cabo un análisis dinámico para un ejemplo PARES con el tablero superior curvo