Load-Bearing Capacity Analysis of Steel Plates in Real Bridges Using Laser-Scanned Geometries and Numerical Simulations

Abstract

Aquest treball desenvolupa una anàlisi estructural mitjançant el mètode dels elements finits a partir de dades obtingudes de núvols de punts generats amb escaneig làser. El cas d’estudi se centra en el viaducte del Llobregat, a Barcelona, on es van realitzar quatre escanejos corresponents a les quatre estacions de l’any, amb l’objectiu d’avaluar de quina manera les variacions ambientals afecten la xapa inferior i l’ànima del pont. Els núvols de punts es van processar amb CloudCompare i es van reconstruir en Rhino– Grasshopper mitjançant superfícies NURBS. Posteriorment, les geometries es van exportar en format STEP i es van importar a Abaqus, on es van sotmetre a anàlisis no lineals. Els resultats mostren que les xapes inferiors mantenen una capacitat portadora pràcticament constant al llarg de les estacions, encara que el desplaçament associat a aquesta càrrega varia. Pel que fa a les ànimes, la capacitat també es va mantenir pràcticament constant, demostrant estabilitat, mentre que una de les ànimes analitzades va presentar irregularitats inicials atribuïbles a inestabilitats numèriques. Aquest treball aporta una metodologia validada per vincular l’estat geomètric real d’un pont, avançant en la implementació de bessons digitals en estructures.

El presente trabajo desarrolla el análisis estructural por método de elementos finitos mediante el uso de datos obtenidos mediante nube de puntos por escaneo laser. El caso de estudio se centra en el viaducto de Llobregat, Barcelona, en el cual se realizaron cuatro escaneos correspondientes a las cuatro estaciones del año, con el fin de comprobar de qué manera afecta a la chapa de fondo y alma del puente. Las nubes de puntos fueron procesadas en CloudCompare y reconstruidas en Rhino-Grasshopper mediante superficie NURBS. Posteriormente, las geometrías fueron exportadas en formato STEP e importadas a Abaqus donde fueron sometidas a análisis no lineales. Los resultados muestran que para las chapas de fondo se mantiene una capacidad portante prácticamente constante en las estaciones mientras que el desplazamiento asociado a esta carga sí que varía. Para el alma se ha mantenido prácticamente constante demostrando estabilidad mientras que una de las almas analizadas presentó unas irregularidades iniciales atribuidas a inestabilidades numéricas. Este trabajo aporta una metodología validad para vincular el estado geométrico real de un puente, avanzando en la implementación de gemelos digitales en estructuras.

This work develops a structural analysis using the finite element method based on data obtained from point clouds generated through laser scanning. The case study focuses on the Llobregat viaduct, in Barcelona, where four scans were carried out corresponding to the four seasons of the year, with the aim of assessing how environmental variations affect the bottom flange and the web of the bridge. The point clouds were processed in CloudCompare and reconstructed in Rhino–Grasshopper using NURBS surfaces. Subsequently, the geometries were exported in STEP format and imported into Abaqus, where they were subjected to nonlinear analyses. The results show that the bottom flanges maintain an almost constant load-bearing capacity throughout the seasons, although the displacement associated with this load varies. For the webs, the capacity also remained practically constant, demonstrating stability, while one of the webs analyzed presented initial irregularities attributable to numerical instabilities. This work provides a validated methodology to link the real geometric state of a bridge, advancing the implementation of digital twins in structures.