Reliability-based desing optimization of a carbon fiber-reinforced polymer bridge

Abstract

Abstract.-

Composite materials are gaining importance in civil engineering applications, such as bridges, due to their high stiffness and strength in relation to their low weight. The advantage of using FRP composites for civil engineering structures relies not only on their mechanical efficiency, but also on their ability to adapt to hostile environment conditions. However, the long-term behavior of composites under fatigue and damage conditions is still partially understood. Nevertheless, the existing body of knowledge and a know-how may allow to conceptualize new designs of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) bridges, considering the uncertainties and optimizing the structure to be safe and cost-efficient through the reliability-based design optimization (RBDO) method. In this paper, a new all-composite FRP bridge typology is introduced. The structural system is composed by 4 families of 5 CFRP symmetrically disposed straps, connected to 4 corner-supports and combined with a central CFRP strap. A glass fiber-reinforced polymer (GFRP) deck rests on top of several GFRP variable-section transversal beams, which transfer the loads from the deck to the main net of CFRP laminates. The new-concept of bridge was studied by a finite element (FE) model of the structure, checking that it fulfills the structural requirements stated in the design code EC-2. This FE model was further used to adjust a surrogate model of the bridge that was subsequently used for the optimization algorithm. A damage evolution model was implemented in the optimization algorithm to consider the stiffness reduction due to fatigue damage during the lifetime. Several wind-tunnel experiments together with accelerated mechanical aging test will be used to validate the design. The results of this work is not only a new optimized bridge concept, but also a scientific design approach that allows us to conceive rational structural designs made of new materials.

Resumen.-

Los materiales compuestos continúan incrementando su importancia en aplicaciones de ingeniería civil, como por ejemplo en puentes, debido a su gran rigidez y resistencia en relación con su bajo peso. La ventaja del uso de materiales compuestos en estructuras de ingeniería civil no radica sólo en su eficiencia mecánica, sino también en su capacidad de adaptarse a condiciones ambientales agresivas. Aunque todavía no se comprende en su totalidad el comportamiento a largo plazo de los materiales compuestos sometidos a fatiga y daño, el cuerpo de conocimiento existente sobre la materia permite conceptualizar nuevos diseños de puentes de fibra de carbono, considerando diversas incertidumbres y optimizando la estructura para que sea eficiente en cuanto a coste, a través del método de optimización basado en fiabilidad (Reliability-Based Design Op- timization, RBDO). En este trabajo se estudia una nueva tipología de puente constituido exclusivamente por materiales compuestos. El sistema estructural está compuesto por 4 familias de 5 tirantes de fibra de carbono cada una, simétricamente dispuestas, que convergen en un apoyo y se enlazan a un tirante central. Un tablero de fibra de vidrio descansa sobre varias vigas transversales de fibra de vidrio y de sección variable, que transmiten las cargas sufridas por el tablero a los tirantes de fibra de carbono, sobre los que descansan. La nueva tipología de puente fue diseñada utilizando un modelo de elementos finitos, comprobando que el puente cumple los requisitos establecidos en el EC-2. Después, el modelo de elementos finitos se empleó para ajustar un modelo de barras del puente, menos preciso pero más rápido. Un modelo de evolución de daño fue aplicado al algoritmo de análisis estructural, de manera que la reducción de rigidez debida a la apertura de grietas puede ser determinada a través de la vida útil del puente. Este algoritmo permite reproducir de manera más precisa las condiciones de carga y las características del material, permitiendo así un diseño más riguroso del puente. Finalmente, el modelo de la estructura se incluyó en un proceso de RBDO, del que resultó el puente óptimo en términos de fiabilidad y coste. En definitiva, el resultado de este no es sólo un concepto innovador de puente, sino también un enfoque de diseño científico que permite a los ingenieros concebir nuevos diseños racionales de estructuras hechas con materiales avanzados.