Structural behaviour and design criteria of under-deck cable-stayed bridges subjected to seismic action

Under-deck cable-stayed bridges are very effective structural systems for which the strong contribution of the stay cables under live loading allows for the design of very slender decks for persistent and transient loading scenarios. Their behaviour when subjected to seismic excitation is investigated herein and a set of design criteria are presented that relate to the type and arrangement of bearings, the number and configuration of struts, and the transverse distribution of stay cables. The nonlinear behaviour of these bridges when subject to both near-field and far-field accelerograms has been thoroughly investigated through the use of incremental dynamic analyses. An intensity measure that reflects the pertinent contributions to response when several vibration modes are activated was proposed and is shown to be effective for the analysis of this structural type. The under-deck cable-stay system contributes in a very positive manner to reducing the response when the bridges are subject to very strong seismic excitation. For such scenarios, the reduction in the stiffness of the deck because of crack formation, when prestressed concrete decks are used, mobilises the cable system and enhances the overall performance of the system. Sets of natural accelerograms that are compliant with the prescriptions of Eurocode 8 were also applied to propose a set of design criteria for this bridge type in areas prone to earthquakes. Particular attention is given to outlining the optimal strategies for the deployment of bearings

Estructuras espaciales desmontables y desplegables. Estudio de la obra del arquitecto Emilio Pérez Pinero.

La presente tesis estudia las realizaciones del arquitecto Emilio Pérez Pinero, todas dentro de las estructuras espaciales de barras desmontables y desplegables, elabora la documentación que hace transmisible su investigación y generaliza el estudio del comportamiento en la parcela de las desplegables. La obra de este arquitecto forma un conjunto original, atractivo y sin continuadores, y por otra parte, no abundan las" investigaciones sobre este tipo de estructuras ( mucho menos las realizaciones), en las que hay que resolver tanto su definición como su movilidad y comportamiento estructural. El contenido de la parte correspondiente a las estructuras desmontables se limita a las cúpulas reticuladas de una capa, con el sistema de reticulado y montaje ideado por Pinero, por considerar que se debe documentar su aportación pero no incidir mas en un campo de investigación que cuenta con abundantes estudios. Se aporta la solución matemática y un programa de ordenador para la definición geométrica completa del reticulado empleado. Las estructuras desplegables se caracterizan por el empleo de barras dispuestas en "x" en el espesor de la estructura, con generación de superficies tanto planas como curvas. En ambos casos se analiza la movilidad en fase de mecanismo, tanto a las soluciones de Pinero como a las complementarlas que se exponen. Se estudian las relaciones geométricas que deben de cumplirse para que sea posible el movimiento de las barras, relaciones particularmente complejas en las desplegables según superficies esféricas, y que determinan su definición geométrica. En la fase de estructura, además de analizar lo realizado por Pinero, documentando y definiendo sus componentes, se proponen varias estructuras posibles para cada mecanismo, y se desarrolla en detalle el tipo de los emparrillados de canto constante, donde se incluye un estudio comparativo de nueve variantes distintas. Se muestra el amplio campo de uso posible para estas estructuras. ABSTRACT The • present doctoral dissertation studies the work of de spanish architect Emilio Pérez Pinero, all of it within de field of spatial demountable and deployable structures. This contribution compiles the necessary documentation for research in this field and, besides, generalizes the theoretical background for the analysis of this type of structures. Pérez Pinero's contributions are original and attractive, but, so far, he has not any followers ; on the other hand research in this field is scarce (much less actual realizations). In the part corresponding to demountable structures the research is limited to reticulated domes of only one layer, following Pérez Pinero's sys~ tem, trying to give a comprehensive documentation of it. The mathematical solution is given and so is a computer program for the complete definition of the geometry of the structure. One characteristic of deployable structures is the use of struts placed - formix "X" in the thickness of the structure, making possible the generation of plañe as well as curved surfaces. In both cases, the operation in the phase of mechanism is studied, both fot Pinero's solution and for the other schemes presented. The geometrical relationships that must be maintained in order to guarantee strut's movements, are studied; these relationships are particularly complex in the case of spherical surfaces, and, in this last casey determine completely its geometrical definition. In regard of the structure behaviour, besides analysing Pinero's works, a variety of solutions are proposed for each mechanism. Particularly, the configuration for double layer grids of constant thickness is developed with great detall, and a comparative study of nine different solutions of this special case is included. A wide range of the possible applications of this structural type is shown.

Estudio de una metodología para transformar cualquier geometría en antifunicular añadiendo cargas externas

El antifunicular de cargas viene siendo empleado en la búsqueda de la mejor directriz para el diseño de arcos. Sin embargo, en muchas ocasiones, su forma acaba impuesta por condicionantes no meramente estructurales y su comportamiento dista de ser el óptimo. En este trabajo se propone un nuevo enfoque en el que son las cargas las que se adaptan a la geometría. Mediante la aplicación de una serie de cargas puntuales adicionales es posible obtener un comportamiento muy próximo a la compresión simple. Lo que se traduce en un importante descenso en las tensiones máximas que implica enormes ventajas. Las cargas se materializan mediante un cable de pretensado y se transmiten al arco por medio de barras, que pueden trabajar tanto a tracción como a compresión, dependiendo de la posición del cable con respecto a la estructura. Para sacar provecho a esta metodología, se ha realizado un programa que obtiene las diferentes configuraciones de este sistema para cualquier geometría introducida. Esta metodología permite diseñar estructuras de formas muy dispares dando solución a las demandas externas de una manera eficiente, elegante e innovadora. The antifunicular geometry has been employed as the optimal shape of a curved structure because it exhibits no bending under design loading. However, this shape is often defined by non-structural issues. Inevitably its behaviour is far from the ideal. The new approach, proposed in this study, consists in adding external loads to the main geometry in order to convert it into an antifunicular one. Adding point loads is possible to transform any geometry into a compression-only structure. This provides an important descent in terms of maximum stresses with great advantages for designing material-efficient structures. In the proposed system the loads are transmitted from a prestressed cable to the arch through struts, which can work in compression or in tension. It is possible to obtain different layouts of the cable for each starting shape. A computer programme has been implemented to solve it easily. This methodology allows to design structures of very different shapes, providing a solution to external demands in an efficient, innovative and elegant way.

Estudio del flujo sanguíneo para diferentes técnicas de implantación de stents en bifurcaciones coronarias

Las enfermedades arteriales vienen presididas por la aterosclerosis, que es un proceso crónico de degeneración, que evoluciona hacia la obstrucción de la luz arterial. La pared de la arteria se engrosa debido al depósito de elementos grasos tales como el colesterol. Los stents intraluminales son diminutas estructuras tubulares autoexpandibles de malla de metal, que se colocan dentro de la arteria coronaria después de una angioplastia con balón para prevenir el cierre de dicha arteria. A pesar de estar diseñados para ser compatibles con el tejido humano, a menudo se da una reacción en cadena de consecuencias indeseables. La reestenosis intra-stent es un problema creciente debido al importante incremento que se ha producido en la utilización del stent intracoronario como forma de revascularización percutánea. Se habla de una incidencia global del 28%, siendo la causa principal de su aparición la proliferación neointimal a través de una compleja cascada de sucesos que pueden tardar meses en desarrollarse. Una de las reacciones más importantes es la trombosis o la formación de una fina capa de coágulo como respuesta a la presencia de un material extraño. Este proceso es multifactorial, y en él intervienen la regresión de la pared como consecuencia del estiramiento previo, la denudación endotelial, lo que permite la agregación plaquetaria, la proliferación neointimal, lo que facilita a los receptores de membrana desencadenar un proceso de agregación posterior y, por último, el remodelado negativo inadecuado de la pared, lo que produce pérdida de luz arterial. Se ha observado frecuentemente que el depósito de ateroma en la pared arterial está relacionado con el valor de los esfuerzos cortantes en la misma. Hay mayores probabilidades de engrosamiento de la pared en las zonas donde son bajos los esfuerzos cortantes, quizá por el mayor tiempo de residencia de las partículas circulantes por el torrente sanguíneo. Si nos centramos en la afirmación anterior, el siguiente paso sería buscar las zonas susceptibles de presentar un valor bajo de dichos esfuerzos. Las zonas potencialmente peligrosas son los codos y bifurcaciones, entre otras. Nos hemos centrado en una bifurcación coronaria, ya que los patrones de flujo que se suelen presentar, tales como recirculación y desprendimiento de vórtices están íntimamente relacionados con las técnicas de implantación de stents en esta zona. Proyectamos nuestros esfuerzos en el estudio de dos técnicas de implante, utilizando un único stent y una tercera a través de una configuración de culotte con el uso de dos stents. El primer caso trata de una bifurcación con un único stent en la rama principal cuyos struts cierran el orificio lateral que da salida a la rama secundaria de la bifurcación, es decir sería un stent sin orificio. El segundo consiste en un único stent también, pero con la diferencia de que éste presenta un orificio de comunicación con la rama lateral. Todas estas técnicas se aplicaron a bifurcaciones de 45º y de 90º. Introdujimos las geometrías -una vez confeccionadas con el código comercial Gambit- en el programa Ansys-Fluent contemplando régimen estacionario. Los resultados obtenidos fueron cotejados con los experimentales, que se realizaron paralelamente, con el fin de corroborarlos. Una vez validados, el estudio computacional ya contó con la fiabilidad suficiente como para abordar el régimen no estacionario, tanto en la versión de reposo como en la de ejercicio –hiperemia- El comportamiento reológico de la sangre para régimen no estacionario en estado de reposo es otra de las tareas abordadas, realizando una comparativa de los modelos Newtoniano, Carreau y Ley de Potencias. Finalmente, en una última etapa, debido a la reciente incursión de los stents diseñados específicamente frente a los convencionales, se aborda el comportamiento hemodinámico de los mismos. Concretamente, se comparó el patrón de flujo en un modelo de bifurcación coronaria con los nuevos stents (Stentys) y los convencionales. Se estudiaron cuatro modelos, a saber, stent simple en la rama principal, stent simple en la rama secundaria, culotte desplegando el primer stent en la rama principal y culotte desplegando el primer stent en la rama secundaria. La bifurcación estudiada presenta un ángulo de apertura de 45º y la relación de diámetros de las ramas hija se ajustaron de acuerdo a la ley de Finet. Se recogieron resultados experimentales en el laboratorio y se corrieron simulaciones numéricas con Ansys Fluent paralelamente. Las magnitudes que se tuvieron en cuenta con el fin de ubicar las regiones potencialmente ateroscleróticas fueron los esfuerzos cortantes, vorticidad y caída de presión. ABSTRACT Nowadays, restenosis after percutaneous dilation is the major drawback of coronary angioplasty. It represents a special form of atherosclerosis due to the healing process secondary to extensive vessel trauma induced after intracoronary balloon inflation. The use of coronary stents may decrease the incidence of this phenomenon. Unfortunately, intra-stent restenosis still occurs in 20-30% of the cases following the stent implantation. Most experiments suggest a correlation between low wall shear stress and wall thickness. The preferential locations for the atherosclerotic plaque are bifurcations. The objective of this work is to analyze the local hemodynamic changes caused in a coronary bifurcation by three different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the main vessel with kissing balloon in the side branch and culotte. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used, and two bifurcation angles, 45º and 90º, are chosen as representative of the wide variety of real configurations. Both numerical simulations and experimental measurements are performed. First, steady simulations are carried out with the commercial code Ansys-Fluent, then, experimental measurements with PIV (Particle Image Velocimetry), obtained in the laboratory, are used to validate the numerical simulations. The steady computational simulations show a good overall agreement with the experimental data. Then, pulsatile flow is considered to take into account the transient effects. The time averaged wall shear stress, oscillatory shear index and pressure drop obtained numerically are used to compare the behavior of the stenting techniques. In a second step, the rheologic behavior of blood was considered comparing Newtonian, Carreau and Power Law models. Finally, as a result of previous investigations with conventional stents and after the recent emergence of several devices specifically designed for coronary bifurcations angioplasty, the hemodynamic performance of these new devices (Stentys) was compared to conventional ones and techniques in a coronary bifurcation model. Four different stenting techniques: simple stenting of the main vessel, simple stenting of the side vessel, culotte deploying the first stent in the main vessel and culotte deploying the first stent in the side vessel have been considered. To carry out this study an idealized geometry of a coronary bifurcation is used. A 45 degrees bifurcation angle is considered and the daughter branches diameters are obtained according to the Finet law. Both experiments in the laboratory and numerical simulations were used , focusing on important factors for the atherosclerosis development, like the wall shear stress, the oscillation shear index, the pressure loss and the vorticity.