Estudio de la estabilidad lateral de un puente de arco atirantado a partir de un modelo experimental a escala reducida

Abstract

El propósito de la presente Tesis es estudiar los factores que desempeñan un papel importante en la efectividad del arriostramiento en un arco atirantado, tomando como estructura base el proyecto del nuevo Puente Bolognesi, construido el año 2000 en Piura, en el Norte del Perú; en este proyecto se consideró un sistema de arriostre a base de vigas transversales. Para este fin, se realizó una revisión de la literatura sobre el análisis de estabilidad de arcos. Se presenta un resumen de las teorías desarrolladas para evaluar el pandeo en el plano y el pandeo lateral de un arco, así como los fundamentos de la formulación matricial del problema de estabilidad en estructuras, dado que los modelos desarrollados en los programas de cómputo disponibles son solucionados mediante técnicas matriciales. El análisis estructural desarrollado en el presente trabajo consistió, en primer lugar, en estudiar los niveles de esfuerzos internos en los modelos estudiados, tanto en el prototipo como el modelo a escala reducida, para definir las cargas a ser aplicadas en el ensayo. En segundo lugar, se realizó un análisis sistemático del pandeo en el arco atirantado, desde el arco libre, el arco con viga tirante, el puente sin arriostres y el puente completo, presentándose una comparación de los sistemas analizados. En el caso del puente completo analizado, se demostró que la forma de falla del sistema consiste en la fluencia de la viga tirante. Seguidamente, se realizó el análisis post-pandeo del puente completo, para lo cual se realizó un análisis considerando grandes desplazamientos, cuyos resultados principales fueron la observación de un comportamiento estable luego del pandeo del arco (suponiendo que los otros elementos no fallen antes) y la gran influencia que tienen las péndolas en la etapa post-pandeo, que pueden trabajar más allá de los esfuerzos debidos a la carga vertical, hasta incluso llegar a la falla. Además, se realizó un análisis paramétrico del pandeo en el puente, para estudiar la influencia de diversas variables en la carga crítica de pandeo y, definidas estas influencias, proponer una expresión para considerar las variables más importantes y obtener una esbeltezmodificada considerando el sistema de arriostre. El ensayo del modelo a escala se realizó considerando los resultados de los análisis estructurales previos. Los resultados mostraron que el modelo consiguió soportar conseguridad las cargas últimas de diseño y que era capaz de continuar estable aún con la imposición de desplazamientos laterales bastante mayores a los exigidos por un sismo de diseño. La condición de carga máxima se alcanzó con una carga vertical equivalente a 2.34 veces la carga permanente; ello implica que el modelo soportó el equivalente a 2.56 veces la carga viva de diseño, un valor notoriamente mayor que los factores de carga de las normas vigentes. La extrapolación de los valores del ensayo al prototipo conduciría a valores conservadores de diseño para la capacidad de carga de la estructura. Sin embargo, debe tenerse presente que la condición de falla en el ensayo fue de ruptura de las péndolas en uno de los arcos, lo que trajo como consecuencia un comportamiento no lineal de la estructura, manifestado principalmente por el desplazamiento lateral remanente tras el colapso del modelo. De las formas de falla observadas tanto analítica como experimentalmente, se concluye que la falla por fluencia de la viga-tirante debería controlar el diseño del sistema, como una falla “deseable” dentro de una óptica del diseño por capacidad, en comparación con la falla por pandeo del arco y la ruptura frágil de las uniones en las péndolas.

The mam objective of the present Thesis is studying the factors that have an important role m the effectiveness of bracing m an arch bridge, taking as a basic structure the project of the new Bolognesi Bndge. built m 2000 in Piura. Northern Peru: m this project, a bracing system with transversal beams were used. In order to get this objective, a review of the allowable literature about stability analysis of arches was done. A summary of theories about analysis of m plane buckling and lateral buckling of arches is presented, as well as the basis of matrix formulation of the problem of stability m structures, because of the models developed m computer analysis programs are solved by matrix techniques. The structural analysis developed in this study consisted of. firstly, studying the levels of internal stresses m both the prototype and the reduced-scale model, m order to define the loads to be applied during the test. Secondly, a systematic analysis of the arch bridge were done, from the free arch, the arch with tie-beam, the bndge without braces and the complete bndge: a comparison between the analyzed systems are presented. In the complete bndge. the way of failure of the system consists of yielding of tie-beam. In addition to. a post-buckling analysis of the complete bndge was done by large- displacement analysis: the mam results were getting a stable post-buckling behavior of the bridge (assuming that the other elements do not fail before) and observing the important influence of the ties during the post-buckling stage, m which they can have stresses greater than those of vertical loads, even reaching failure. A parametnc analysis of the arch bndge buckling was also done, m order to study the influence of several variables m the cntical load of the bridge and. setting these influences, to propose an expression to consider the most important variables and to get a modified slenderness regarding the charactenstics of the bracing system. The scale-model test was made taking into account the results of previous structural analysis. The results of the test showed that the model could stand the ultimate design loads safely and that could continue stable even with lateral displacements larger than those of a design earthquake. The condition of critical load was reached with a vertical load equivalent to 2.34 tunes the permanent load: consequently, the model could stand 2.56 tunes the live load (additional to maxun permanent load), which is a value larger than the load factors of the current codes. The extrapolation of the values obtained m the test to the prototype would lead to conservative loads for the load capacity of the structure. However, the failure condition m the test was the rupture of ties m one of the arches, which involved a nonlinear behavior of the structure, mainly showed m the remaining lateral displacement after the collapse of the model. From the failure forms observed, analytically and experimentally, it is concluded that the yielding failure of the tie-beam should control the design of the entire system, as a “desuable“ failure within a capacity design strategy, m comparison of the buckling failure of the arch and the fragile failure of the ties connectors.