Análisis de la respuesta sísmica de puentes empleando modelos paramétricos

Abstract

El presente trabajo de investigación contiene el estudio del comportamiento sísmico de un tipo de puente que considera una conexión no monolítica entre el tablero continuo y la subestructura mediante la combinación de topes sísmicos y apoyos comunes, estos últimos elementos fueron prescindidos en los análisis realizados. Se adoptó como caso de estudio a un conjunto de diez modelos estructurales de puentes, los cuales fueron propuestos con base en proyectos reales de ingeniería y publicaciones relacionadas con la línea de investigación. Los modelos estructurales corresponden a un esquema estructural cuya demanda sísmica recae principalmente en los pilares de concreto armado. La configuración estructural de los puentes está conformada por tableros continuos de vigas de concreto presforzado (vigas AASHTO de sección I) y pilares de concreto armado en forma de martillo. La capacidad de los apoyos comunes, que sirven como conexión no rígida, fueron ignorados por tener una baja rigidez frente a cargas laterales, además, estos elementos suelen ser diseñados por combinaciones de cargas de gravedad y de servicio. En ese sentido, la fuerza sísmica se transmite a los pilares a través de los topes sísmicos. El primer grupo de diez modelos de puentes se elaboró en el programa CsiBridge y se los consideró como modelos refinados (Mco). A partir de estas configuraciones, se formuló los modelos definidos paramétricamente. Como carga sísmica, se utilizó tres espectros de diseño sísmico que cubren las zonas de mayor intensidad sísmica del territorio peruano. Estos fueron construidos de acuerdo con la norma AASHTO (2017) y los mapas de isoaceleraciones proporcionados por el Manual de Puentes del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú (MTC, 2018). Se realizó un análisis paramétrico de las variables geométricas y físicas del primer grupo representativo de diez puentes para establecer parámetros que definan su comportamiento sísmico, a partir de lo cual se generó un segundo grupo de modelos estructurales definidos paramétricamente. Los modelos paramétricos se formularon analíticamente con base en un modelo simplificado (Ms) que considera el criterio de elementos discretos y masas concentradas. El modelo Ms se validó comparando las respuestas de interés obtenidas de este modelo con los obtenidos de Mco, que incluye los efectos de apoyos comunes y topes sísmicos del grupo representativo de diez puentes. De esta manera, se logró emplear el modelo Ms en la obtención de respuestas sísmicas del segundo gran grupo de modelos paramétricos de puentes. Los resultados de interés obtenidos del análisis sísmico en las dos direcciones realizados a los modelos paramétricos fueron: el periodo fundamental de vibración del puente y las respuestas sísmicas elásticas de desplazamiento lateral, fuerza cortante y el momento flector del pilar con mayor demanda sísmica. Además, se analizó los efectos que representan los parámetros previamente definidos como la esbeltez longitudinal (H/B), la esbeltez transversal (H/D), la razón de aspecto de la planta (R/L) y el número de tramos (nt) en los resultados de interés mencionados. Del resumen de resultados de las respuestas sísmicas realizado de acuerdo con los conceptos de vibración de sistemas estructurales y de la influencia de los parámetros en el comportamiento sísmico de los modelos paramétricos, se logró proponer expresiones simplificadas como parte de un Método Simplificado de análisis y diseño sísmico. El Método es válido para los criterios considerados en esta investigación en un rango de valores de parámetros previamente definidos.

The present research work contains the study of the seismic behavior of a type of bridges that considers a non-monolithic connection between the continuous deck and the substructure through the combination of seismic stoppers and common supports, these last elements were omitted in the analyzes carried out. A set of ten structural models of bridges was adopted as a case study, these were proposed based on real engineering projects and publications related to the line of research. The structural models correspond to a structural scheme whose seismic demand falls mainly to the reinforced concrete piers. The structural configuration of the bridges is made up of continuous decks of prestressed concrete beams (AASHTO I-section beams) and reinforced concrete piers of hammer shape. The capacity of common supports, which serve as a non-rigid connection, were ignored due to their low rigidity against lateral loads, in addition, these elements are usually designed by combinations of gravity and service loads. In that sense, the seismic force is transmitted to the piers through the seismic stoppers. The first group of ten bridge models was elaborated in the CsiBridge program and they were considered as refined models (Mco). From these configurations the parametrically defined models were formulated. As seismic load, three seismic design spectra were used that cover the areas with the highest seismic intensity of the Peruvian territory. These were built according to the standard AASHTO (2017) and the isoacceleration maps provided by the Manual of Bridges of the Ministry of Transport and Communications of Peru (MTC, 2018). A parametric analysis of the geometric and physical variables of the first representative group of ten bridges was carried out to establish parameters that define their seismic behavior, from which a second group of parametrically defined structural models was generated. The parametric models were analytically formulated based on a simplified model (Ms) that considers the criterion of discrete elements and concentrated masses. The model Ms was validated by comparing the responses of interest obtained from this model with those obtained from Mco, which includes the effects of common supports and seismic stoppers of the representative group of ten bridges. In this way, it was possible to use the Ms model in obtaining seismic responses from the second large group of parametric models of bridges. From the seismic analysis carried out to the parametric models, in the two directions, the following results of interest were obtained: the fundamental period of vibration of the bridge and the elastic seismic responses of lateral displacement, shear force and the bending moment of the pier with the highest seismic demand. Furthermore, the effects represented by the previously defined parameters such as longitudinal slenderness (H/B), transverse slenderness (H/D), the plannar aspect ratio (R/L) and the number of spans (nt) in the results of interest mentioned. From the summary of the results of the seismic responses made according to the concepts of vibration of structural systems, and the influence of the parameters on the seismic behavior of the parametric models of the bridges, it was possible to propose simplified expressions as part of a Simplified Method of analysis and seismic design. The Method is valid for the criteria considered in this research, in a range of values of the previously defined parameters.