Resistance of transversally stiffened hybrid steel plate girders to concentrated loads
Authors:   , Chacón Flores Rolando Antonio 
Published: July 2023

Una viga armada se considera híbrida cuando se utilizan diferentes límites elásticos de acero en las chapas de alas y alma que la conforman. Un diseño estructural de una viga armada híbrida puede resultar más eficiente que el de una viga homogénea, tanto desde un punto de vista resistente como desde un punto de vista económico y sostenible. Las vigas armadas híbridas han sido estudiadas a nivel teórico, experimental y numérico bajo solicitaciones de flexión, de abolladura por cortante, de interacción flexión-cortante y de fatiga. Los estudios realizados han demostrado que dicho diseño puede ser especialmente atractivo en la construcción de puentes metálicos de tipo bijácena-mixtos.
Como resultado, dicha solución ha sido ampliamente utilizada a nivel mundial en el diseño de puentes metálicos tanto ferroviarios como de carretera. Uno de los posibles procesos constructivos de dichos puentes es el lanzamiento. El lanzamiento por empujes sucesivos es un proceso constructivo que presenta grandes ventajas desde el punto de vista económico como logístico. Este proceso consiste en empujar mediante gatos hidráulicos, la estructura entre un estribo y otro.
Las ganancias generadas en términos económicos y logísticos de este proceso llevan asociado un incremento sustancial en el nivel de solicitaciones en la estructura que puede llegar a niveles muy superiores a los que habitualmente soportan los puentes construidos de manera convencional. Durante el proceso de lanzamiento, todas las secciones transversales tanto rigidizadas como no rigidizadas pasan por las pilas del puente, por lo que se pueden ver solicitadas con una carga concentrada de una gran entidad en la dirección vertical. Esta carga concentrada puede agotar la pieza, bien sea por plastificación total de la misma o bien, por la aparición de fenómenos de inestabilidad. La resistencia de vigas armadas homogéneas sometidas a cargas concentradas ha sido estudiada de manera extensa en las últimas décadas del siglo pasado.
A pesar de la profusa investigación que se ha publicado en ambos campos de manera separada, se ha encontrado que la misma, cuando analizada de manera conjunta en ambos tópicos es bastante escasa. Por ello, se ha juzgado pertinente el desarrollo de un trabajo de investigación que pudiera poner en solfa los diferentes avances encontrados en ambas líneas de investigación.
En la presente Tesis Doctoral se presenta una investigación sobre la resistencia de vigas armadas híbridas sometidas a cargas concentradas. El trabajo se basa en los resultados obtenidos en una campaña experimental de ocho prototipos y cientos de simulaciones numéricas realizadas en un modelo contrastado adecuadamente con la experimentación.
El objetivo principal del estudio ha sido el de valorar los mecanismos resistentes de las vigas híbridas frente a cargas concentradas. Se presenta un análisis comparativo entre los resultados obtenidos y los derivados de la formulación recogida en EN1993-1-5. Los resultados han mostrado que el tratamiento de la resistencia es sensiblemente diferente en vigas en función del espaciamiento de su rigidización transversal. Al final del trabajo, se proponen algunas sugerencias que permitirían incluir los resultados obtenidos en las actuales expresiones de diseño de EN1993-1-5 para el caso particular de vigas híbridas sometidas a cargas concentradas.
A girder is deemed as being hybrid when it is fabricated with different steel strengths for the flange and web panels. This type of girder is popular as the girder yields a greater flexural capacity at a lower cost and weight compared to a homogeneous girder.
Extensive experimental, theoretical and numerical research on hybrid design can be found in the literature. Flexural capacity, shear resistance, instability and fatigue resistance of hybrid prototypes have been widely investigated in the last decades.
Hybrid design has proven economically sound when used in continuous bridges.
Consequently, a myriad of bridges have been designed world-wide using a hybrid girder structural solution. A vast amount of these bridges have been erected by using the incremental launching method. The incremental launching method is particularly suited for the construction of continuous multi-span steel plate girder bridges. It consists of assembling and casting sections of the bridge superstructure in a stationary formwork behind an abutment in order to push a completed section forward with jacks along the bridge axis.
This construction process implies that the reactions of the piers become moving concentrated loads acting in short lengths of the webs assembling the plate girders.
During launching, the reactions of the piers are expected to be quite large, particularly when the cantilever reaches its maximum value. A concentrated force acting perpendicular to the flange of a steel girder is commonly referred to as patch loading.
This type of loading usually induces a local failure of the web plate in the vicinity of the loaded flange. If the web panel is stocky, the failure mode is primarily dominated by yielding whereas whether the panel is slender, instability-related modes may occur.
Patch loading phenomena has been widely analysed since the early sixties. Several failure mechanisms and critical buckling loads have been proposed throughout the last decades for the case of stiffened and unstiffened panels.
Despite the vast amount of research devoted to both topics, the research work that matches both subjects is scant. Consequently, a research work has been developed for the sake of bridging this gap. This thesis deals simultaneously with the patch loading and hybrid design fields.
The core of the work is an experimental program on eight hybrid steel plate girders together with a vast amount of simulations performed on a properly validated numerical model.
The work is focused on the assessment of the actual resistance predicted by EN1993-1-5 provisions. The most remarkable results of the research work are pointed out. On the one hand, it is shown that the influence of the fyf/fyw ratio (namely, the hybrid grade) is negligible for girders with largely spaced transverse stiffeners and stiff flanges. On the other, it is shown that this influence can be significant if the transverse stiffeners are closely spaced and/or alternatively, the flanges are relatively flexible. At the end of the work, suggestions for considering these findings on design codes are provided.