Seismic performance of Chilean skewed highway bridges with energy dissipation devices
Desempeño sísmico de puentes esviados chilenos con y sin sistemas de disipación de energía
Fecha
2021Autor
Bazáez Gallardo, Ramiro
UNIVERSIDAD TECNICA FEDERICO SANTA MARIA
Institución
Resumen
The new proceedures of the Chilean seismic design code for bridges ”Manual de Carreteras”, applied after the 2010 Maule earthquake (8.8 Mw) due to the extensive damage observed, were incorporated with the aim of reducing the seismic vulnerability of these structures. However, there is still much uncertainty regarding the behaviour and performance of skewed bridges. The latter are known to be more vulnerable than straight bridges, since during severe seismic events they have presented an in-plane rotation mechanism of the deck, which increases rotations and, as a consequence, produces greater relative displacements between the superstructure and substructure. This is why a special emphasis should be placed on them, since they constitute an important part of the highway network due to their ability to adapt to previously built structures and complex geographies.
The seismic design code for bridges, in its new provisions, demands greater seismic protection measures to be implemented, mainly through an increase in the deck seat support length and through the incorporation of internal shear keys, diaphragm, seismic bars and anchoring of the elastomeric bearings. However, the current normative does not propose a performance-based design that ensures an adequate performance for the entire range of seismic intensities. This is evidenced in the results obtained, since the previous protection measures are effective to prevent severe and collapse damage states for high intensity earthquakes, however they do not prevent damage at lower levels of seismic intensity. For this reason, in order to reach an adequate seismic behavior, the incorporation of different energy dissipation systems will be evaluated in this investigation: hysteretic and recentering.
Thus, the objective of this research is to study the seismic performance of typical Chilean skewed highway bridges with and without the inclusion of energy dissipation devices. To achieve this, the research will be divided into two sections: the first section will study the behaviour of four skewed bridges built in Chile that suffered damage and / or collapse due to the 2010 Maule earthquake in their original and repaired conditions. The second section will analyze the effect of the incorporation of energy dissipation devices in one of these bridges. For this, detailed non-linear three-dimensional models will be generated in OpenSees for each of the bridges under study, to later perform various analyzes that allow to determine the seismic vulnerability of skewed bridges.
This research is one of the first studies in Chile that proposes and evaluates a performance design methodology for Chilean skewed bridges, which also incorporates energy dissipation systems.
In synthesis, the study concludes that the repair measures adopted for damaged bridges, which reflect changes in the design criteria, help to reduce their seismic vulnerability, specially in severe damage states. However, for the slighter states, reached for recurrent earthquakes, there are no devices that adequately restrict these damages, which may limit the operational continuity of the bridge and, consequently, of the highway network. At this point, energy dissipation systems come into play, which according to the results obtained are capable of improving the performance in a large part of seismic intensities range. Las nuevas especificaciones del Manual de Carreteras para el diseño sísmico de puentes chilenos, incorporadas luego del terremoto de Maule 2010 (8.8 Mw) dado los extensos daños evidenciados, se incluyeron con el objetivo de disminuir la vulnerabilidad sísmica de dichas estructuras. Sin embargo, aún existe bastante incertidumbre con respecto al comportamiento y desempeño de puentes esviados. Estos últimos son conocidos por ser más vulnerables que puentes rectos, ya que durante eventos sísmicos severos han presentado un mecanismo de rotación en planta del tablero, lo que aumenta los giros y, como consecuencia, se generan mayores desplazamientos relativos con respecto a la subestructura. Por lo anterior, debe ponerse un especial énfasis sobre ellos, ya que conforman gran parte de la red vial por su capacidad de adaptarse a caminos previamente construidos y a geografías complicadas.
El Manual de Carreteras, en sus nuevas disposiciones, exige que se implementen mayores medidas de protección sísmica, principalmente mediante un aumento en la longitud de la mesa de apoyo del tablero y mediante la incorporación de topes sísmicos intermedios, diafragma, barras sísmicas y anclaje de los apoyos elastoméricos. Sin embargo, el actual código normativo no propone un diseño basado en desempeño que se preocupe de asegurar un adecuado comportamiento para todo el rango intensidades sísmicas. Esto se evidencia en los resultados obtenidos, ya que las medidas de protección anteriores resultan efectivas para prevenir estados de daño severos y de colapso ante sismos de alta intensidad, sin embargo, no previenen que se generen daños importantes a niveles menores de intensidad sísmica, que puedan comprometer la continuidad operacional. Es por esto que para lograr un adecuado comportamiento sísmico, en esta investigación se evaluará la incorporación de distintos sistemas de disipación de energía: histeréticos y con capacidad de recentreo o auto-centrante.
Así, el objetivo de este trabajo es estudiar el desempeño sísmico de puentes esviados típicos chilenos con y sin la inclusión de sistemas de disipación de energía. Para lograr lo anterior, la investigación se dividirá en dos secciones: la primera corresponde a estudiar el comportamiento de cuatro puentes esviados construidos en Chile que sufrieron daños y/o colapso debido al terremoto de Maule 2010, en sus condiciones original y reparados. La segunda sección se centra en estudiar el efecto de la incorporación de sistemas de disipación de energía en uno de estos puentes. Para esto se generarán modelos tridimensionales no lineales detallados en OpenSees para cada uno de los puentes en estudio, para posteriormente realizar diversos análisis que permitan determinar la vulnerabilidad sísmica de estos puentes esviados.
De esta forma, esta investigación resulta ser uno de los primeros estudios en el país, en proponer y evaluar una metodología de diseño por desempeño para puentes chilenos esviados, que a su vez incorporen sistemas de disipación de energía.
En síntesis, el estudio concluye que las medidas de reparación adoptadas para los puentes dañados, las cuales reflejan los cambios en la normativa de diseño, ayudan a disminuir la vulnerabilidad sísmica de estos, principalmente en estados severos de daño. Sin embargo, para estados más leves, los que se alcanzan para sismos recurrentes, no existen dispositivos que restrinjan adecuadamente estas demandas, las cuales muy bien pueden limitar la continuidad operacional del puente y, en consecuencia, de la red vial. En este punto entran en juego los sistemas de disipación de energía, los cuales de acuerdo a resultados obtenidos son capaces de mejorar el desempeño en gran parte del rango de intensidades sísmicas.