Analysis of cantilever construction of concrete cable-stayed bridges with time-dependent phenomena

Abstract

(English) This work presents a study on the construction analysis of cable-stayed bridges built by the cantilever method, with a particular focus on the effects of time-dependent phenomena such as creep and shrinkage. In the design of these structures, construction analysis is essential, as the highest stresses and deflections typically occur during the erection process, rather than in service. Therefore, accurately simulating the construction sequence is necessary to ensure structural safety and reliability. However, many existing analysis tools have limitations, such as difficulties in isolating and evaluating individual construction stages, high computational time and storage requirements, and the dependence on global iterative procedures to reach the final target state. These challenges make the construction simulation process both time-consuming and restrictive. To address these limitations, this research proposes and develops efficient computational methods for simulating the construction process of cable-stayed bridges. A first method, referred to as the Direct Algorithm, is presented for use in cases where time-dependent effects are neglected. This algorithm allows for the independent simulation of each construction stage without relying on the superposition principle or on information from previous or subsequent stages. When time-dependent effects such as creep and shrinkage must be considered, the Forward-Direct Algorithm is proposed. This method enables the simulation of the construction process while accounting for long-term concrete behavior, and does so without requiring iterative procedures to adjust the tensioning forces. One of the main contributions of this work is the definition of new criteria for the Objective Service Stage, understood as the target geometry and stress state of the bridge at a specific time. These criteria consider both the cantilever construction process and the influence of time-dependent phenomena. The aim is to establish a tensioning strategy that requires only a single prestressing operation for each stay cable, thereby avoiding costly and complex tuning operations either at the end of construction or during the service life of the structure. The proposed algorithms and criteria are validated through a case study based on the geometry of a real bridge design, analyzed under different construction scenarios. The results confirm the accuracy and reliability of the Direct Algorithm and the Forward-Direct Algorithm in predicting structural behavior during both construction and service. Comparisons with traditional analysis methods from the literature highlight the advantages of the proposed approaches in terms of both precision and computational efficiency. This research offers practical tools and strategies for improving the design and construction of cable-stayed bridges, particularly those built with cast-in-place concrete and erected using the cantilever method, where time-dependent effects play a significant role.

(Català) Aquest treball d'investigació presenta un estudi de l’anàlisi del procés constructiu de ponts atirantats construïts mitjançant el mètode de voladissos successius, amb un enfocament particular en els efectes dels fenòmens dependents del temps, com la fluència i la retracció. En el disseny d’aquestes estructures, l’anàlisi del procés constructiu és essencial, ja que els màxims esforços i deformacions solen produir-se durant la fase de construcció i no pas en servei. Per tant, simular amb precisió el procés constructiu del pont és necessari per garantir la seguretat estructural i la fiabilitat del disseny. Tanmateix, moltes eines d’anàlisi existents presenten limitacions, com ara dificultats per aïllar i avaluar individualment etapes constructives, elevats temps de càlcul i alts requisits d’emmagatzematge, així com la dependència de procediments iteratius per assolir l’estat final desitjat de l'estructura. Aquests reptes fan que la simulació del procés constructiu sigui complexa i costosa en termes de temps computacional. Per tal de superar aquestes limitacions, aquesta recerca proposa i desenvolupa mètodes computacionals eficients per simular el procés constructiu de ponts atirantats. Es presenta un primer mètode, anomenat Direct Algorithm, que s’aplica en casos en què no es consideren els efectes dependents del temps. Aquest algoritme permet simular cada etapa de construcció de manera independent, sense dependre del principi de superposició ni de la informació de les etapes anteriors o posteriors. Quan cal considerar els efectes dependents del temps, com la fluència i la retracció, es proposa el Forward-Direct Algorithm. Aquest mètode permet simular el procés constructiu tenint en compte el comportament del formigó a llarg termini, sense requerir procediments iteratius per ajustar les forces de tesat. Una de les principals contribucions d’aquest treball és la formulació de nous criteris per a definir l’Estat de Servei Objectiu (OSS), entès com la geometria i l’estat tensional desitjat del pont en un instant específic. Aquests criteris tenen en compte tant el procés constructiu per voladissos successius com la influència dels fenòmens dependents del temps. L’objectiu és establir una estratègia de tesat que només requereixi una única operació de pretensat per tirant, evitant així operacions d’ajust costoses i complexes tant al final de la construcció com durant la vida útil de l’estructura. Els algoritmes i criteris proposats es validen mitjançant un cas d’estudi basat en la geometria d’un pont real, analitzat sota diferents escenaris constructius. Els resultats confirmen la precisió i la fiabilitat del Direct Algorithm i del Forward-Direct Algorithm per predir el comportament estructural tant durant la construcció com en servei. Les comparacions amb mètodes d’anàlisi tradicionals trobats a la literatura posen de manifest els avantatges dels enfocaments proposats en termes de precisió i eficiència computacional. Aquesta recerca ofereix eines i estratègies pràctiques per millorar el disseny i la construcció de ponts atirantats, especialment aquells construïts amb formigó executat in situ i mitjançant el mètode de voladissos successius, on els efectes dependents del temps són significatius.

(Español) Este trabajo de investigación presenta un estudio del análisis del proceso constructivo de puentes atirantados construidos mediante el método de voladizos sucesivos, con un enfoque particular en los efectos de los fenómenos dependientes del tiempo, como la fluencia y la retracción. En el diseño de estas estructuras, el análisis del proceso constructivo es esencial, ya que los mayores esfuerzos y deformaciones suelen alcanzarse durante la fase de construcción y no en servicio. Por lo tanto, simular con precisión el proceso constructivo del puente es necesario para garantizar la seguridad estructural y la fiabilidad del diseño. Sin embargo, muchas herramientas de análisis existentes presentan limitaciones, como dificultades para aislar y evaluar individualmente etapas constructivas, elevados tiempos de cálculo y requisitos de almacenamiento, así como la dependencia de procedimientos iterativos para alcanzar el estado final deseado del puente. Estos desafíos hacen que la simulación del proceso constructivo sea compleja y costosa en cuanto a tiempo computacional. Para abordar estas limitaciones, esta investigación propone y desarrolla métodos computacionales eficientes para simular el proceso constructivo de puentes atirantados. Se presenta un primer método, denominado Direct Algorithm, que se aplica en casos en los que no se consideran los efectos dependientes del tiempo. Este algoritmo permite simular cada etapa de construcción de forma independiente, sin depender del principio de superposición ni de la información de etapas anteriores o posteriores. Cuando se deben considerar los efectos dependientes del tiempo, como la fluencia y la retracción, se propone el Forward-Direct Algorithm. Este método permite simular el proceso constructivo considerando el comportamiento del hormigón a largo plazo, sin requerir procedimientos iterativos para ajustar las fuerzas de tesado. Una de las principales contribuciones de este trabajo es la formulación de nuevos criterios para definir el Estado de Servicio Objetivo (OSS), entendido como la geometría y el estado tensional deseado del puente en un instante específico. Estos criterios consideran tanto el proceso constructivo por voladizos sucesivos como la influencia de los fenómenos dependientes del tiempo. El objetivo es establecer una estrategia de tesado que requiera solo una única operación de pretensado por tirante, evitando así operaciones de ajuste costosas y complejas tanto al final de la construcción como durante la vida útil de la estructura. Los algoritmos y criterios propuestos se validan mediante un caso de estudio basado en la geometría de un puente real, analizado bajo diferentes escenarios constructivos. Los resultados confirman la precisión y fiabilidad del Direct Algorithm y del Forward-Direct Algorithm para predecir el comportamiento estructural tanto durante la construcción como en servicio. Las comparaciones con métodos tradicionales de análisis encontrados en la literatura destacan las ventajas de los enfoques propuestos en términos de precisión y eficiencia computacional. Esta investigación ofrece herramientas y estrategias prácticas para mejorar el diseño y la construcción de puentes atirantados, especialmente aquellos construidos con hormigón ejecutado in situ y mediante el método de voladizos sucesivos, donde los efectos dependientes del tiempo son significativos.