Estudio experimental y computacional del comportamiento sísmico de puentes con columnas auto-centrantes

Abstract

El presente trabajo estudia experimentalmente el comportamiento de un puente con columnas autocentrantes sometido a vibración libre y movimientos sísmicos con periodos de retorno de 100 a 2500 años usando la mesa vibratoria de la Universidad de los Andes. La respuesta de la estructura se estudia principalmente en la dirección perpendicular. También, se hace una estimación de los costos de materiales del puente con columnas autocentrantes a escala real y se comparan con los costos de un puente tradicional para determinar la viabilidad constructiva del sistema. En este estudio, se generan modelos computacionales con OpenSees para simular el comportamiento del puente con columnas autocentrantes. Los datos de entrada de este análisis corresponden a modelos de amenaza sísmica de 1000 y 2500 años de periodo de retorno. En estas simulaciones, se demuestra que un 10% de los registros de 2500 años de periodo de retorno representan un colapso del puente con columnas autocentrantes. Para evitar el colapso del puente se incluye el efecto de los estribos laterales. El impacto entre el puente y los estribos es analizado para varios tamaños de junta obteniendo desplazamientos, velocidades y fuerzas de impacto del sistema. Se encontró que la velocidad máxima media para un grupo de registros sísmicos del modelo de columnas autocentrantes afectado por el impacto se mantiene aproximadamente constante para juntas mayores o iguales a 10 cm a escala del puente real. En el caso de juntas menores, la velocidad es proporcional al tamaño de la junta. La deformación máxima en los topes sísmicos impactados se presenta en juntas de dilatación media como 10, 15 o 20 cm. Para otros tamaños de junta, la deformación del elemento de impacto es menor. Finalmente, el documento concluye que una junta pequeña de 2.5 cm permite que el sistema sea más económico considerando la menor fuerza de impacto en topes sísmicos dispuestos en el sentido perpendicular del puente con sistema de columnas autocentrantes

The present work experimentally studies the behavior of a bridge in rocking by applying free vibration and ground motions with return periods of 100 to 2500 years using the shaking table of Universidad de los Andes. The response of the bridge is studied mainly in the perpendicular direction. A costs analysis is conducted to compare the rocking bridge to a traditional bridge to determine the constructive feasibility of the system. Additionally, in this study, computational models are generated with OpenSees to simulate the behavior of rocking bridge. The input of these analysis corresponds to 1000- and 2500-year return period seismic hazard. In these simulations, it is shown that 10% of the records of 2500 years of return period represent a collapse of the bridge supported on rocking columns. To avoid the bridge collapse, the influence of the abutments is included. The impact between the bridge and the abutment is analyzed for various gap sizes to obtain displacements, velocities and impact forces. It was found that the mean maximum velocity for a group of seismic records of the rocking-impact model remains approximately constant for gaps greater than or equal to 10 cm in real bridge scale. For smaller gaps, the velocity is proportional to the size of the gap. The maximum deformation in the impacted abutments occurs in gaps of medium expansion such as 10, 15 or 20 cm. For other gap values, the deformations of the impact element are smaller. Finally, the document concludes that a small gap (2.5 cm) allows the system to be more economical considering the lower impact force in the abutments arranged in the perpendicular direction of the rocking bridge