Seismic behaviour of cable-stayed bridges : design, analysis and seismic devices

摘要

The social and economical importance of long-span bridges is extremely large; cablestayed bridges currently span distances ranging from 200 to even more than 1000 m, representing key points along infrastructure networks and requiring an outstanding knowledge of their seismic response. The objective of the study is three-fold; (i) touddiscern how project decisions affect the seismic behaviour of cable-stayed bridges;(ii) to shed light on appropriate analysis strategies in order to address their linearudand nonlinear dynamic response; and (iii) to compare different control schemes with passive seismic devices disposed along the towers.udThe organization of the content follows a natural progression, starting with the motivation of the work and presenting the state of art on this topic, followed by theuddescription of the framework where the research is developed; the studied structures and the simplifying assumptions employed throughout the document are clearlyuddefined. Modal analysis of these bridges precedes the presentation of the seismic action and the validation of the accelerograms which have been used. At this point,udthe discussion about the seismic results starts with a chapter completely devoted to the linear and nonlinear analysis procedures available to date, being followed byudthe comparison of the elastic and inelastic response of cable-stayed bridges, focused on the effect of different project decisions. Finally, several control strategies withudseismic devices are addressed in order to maintain the towers in the elastic range.udThe main conclusions are drawn to close the thesis, and new lines of research are suggested.udSatisfying the proposed objectives by means of rigorous finite element models,validated through the comparison with experimental tests conducted by other authors,the main contributions of the present work are highlighted:ud - The localization of plastic strain deformation in finite element models representing hollow-section reinforced concrete structures has been studied, observing that the plastic hinge length obtained by classical expressions, is twice the optimum dimension for the linear 'beam'-type elements forming the towers.ud- A specific procedure to generate synthetic accelerograms for nonlinear analysis with Rayleigh damping has been introduced and validated, imposing actions coherent with the design spectrum when damping varies with the frequency.ud- The seismic consequences of key features like the tower shape, main span length, cable-system arrangement and type of foundation soil are analyzed.ud- Different calculation methodologies are validated in the linear range, and new 'pushover' procedures are proposed in order to study the nonlinear response of these flexible and strongly coupled structures when three-dimensional seismicudexcitations are imposed.ud- Due to the large influence of the transverse seismic reaction of the deck against the towers, analytical models are proposed and validated in order to predictudthis effect prior to the definition of finite element models representing the full bridge, providing valuable information for the designer in the early stages ofudthe project.ud- In light of the unacceptable damage recorded in several models of diamondtype pylons, specially in the lower part, the project of this element in bridges located in seismic areas has been also addressed; from these analyses, newuddesign recommendations are obtained to minimize the inelastic demand in the towers and other features related to the economic cost of the foundations.udBased on the energy balance, a scalar parameter that quantifies in a simple yet practical manner the damage caused by the earthquake has been proposed, facilitating the comparison between models.ud- Large inelastic excursions of the reinforcement rebars and the concrete, besides extensive cracking at key locations of the tower, have been observed in severaludmodels, which may compromise their structural integrity. In order to prevent such inadvisable behaviour, and trying to maintain the towers in the linear range, the incorporation of different devices to control the seismic behaviourudis explored through parameters based on the extreme seismic response and the energy dissipation. Both yielding metallic dampers and viscous fluid dampers have been considered with several designs and configurations, obtaining relevantudconclusions for the designer.udLa importancia social y económica de los grandes puentes atirantados es extremadamente elevada; sus vanos principales varían típicamente entre 200 y 600udmetros, llegando incluso a sobrepasar los 1000 metros. Estas estructuras representan puntos clave en las redes de transporte y requieren un estricto conocimiento deudsu respuesta sísmica. El objetivo del presente estudio consta de tres partes, que dan nombre a la tesis doctoral: (i) obtener conclusiones sobre el efecto que tienen diferentes decisiones de proyecto en el comportamiento sísmico de los puentes atirantados; (ii) explorar los diversos procedimientos de análisis para abordar con garantías el comportamiento sísmico de estas estructuras, tanto en rango lineal como no lineal; y (iii) comparar diferentes estrategias de control sísmico con dispositivos pasivos colocados en las torres.udLa organización de los contenidos sigue una progresión natural, comenzando por la motivación del trabajo y presentando el estado del conocimiento sobre esteudtema, seguido de la descripción de las estructuras consideradas en el estudio y de las hipótesis que simplifican el problema. A continuación, se incluye el análisis modal y la acción sísmica al detalle, así como la validación de los acelerogramas sintéticos empleados. Llegados a este punto, comienza la presentación de los resultados del estudio sísmico con un capítulo dedicado en exclusiva a los procedimientos de análisis disponibles, tanto en rango lineal como no lineal, seguido por la comparación tipológica de la respuesta sísmica elástica e inelástica de todos los puentes atirantados analizados, con especial atención al efecto causado por diferentes decisiones de proyecto. Por último, se han abordado diversas estrategias de control con el objetivo de mantener la torre en rango elástico. El trabajo concluye recogiendo las principales conclusiones obtenidas y abriendo nuevas líneas de investigación que podrían continuar el estudio.udCumpliendo con los objetivos establecidos y empleando rigurosos modelos de elementos _nitos, validados exhaustivamente con ensayos experimentales llevados audcabo por otros autores, deben destacarse las siguientes contribuciones de la presente tesis doctoral:ud- Se ha estudiado la localización de la deformación plástica en modelos de elementos finitos que representan estructuras de hormigón con secciones huecas, como las empleadas en las torres de atirantamiento, observando que la dimensión óptima en los elementos finitos lineales tipo 'viga' es la mitad de la longitud de la rótula plástica en piezas de hormigón armado.ud- Un algoritmo de generación de acelerogramas sintéticos ha sido presentado y validado con el objetivo de obtener señales adecuadas y coherentes con el espectro de diseño en cálculos no lineales con amortiguamiento en función deudla frecuencia, como el de Rayleigh.ud- El efecto en la respuesta sísmica que tienen la forma de la torre, la luz principal del puente, el tipo de atirantamiento y la clase de terreno de cimentación, entreudotros aspectos, ha sido analizado en detalle.ud- Se han estudiado diferentes procedimientos de análisis sísmico, tanto en régimen lineal como no lineal, y se han propuesto modificaciones de los métodos 'pushover' para abordar el cálculo no lineal de unas estructuras tan flexibles y fuertemente acopladas como los puentes atirantados cuando se someten a excitaciones sísmicas tridimensionales.ud- Dada la importancia del empuje transversal del tablero en la respuesta sísmica de las torres, se ha propuesto y validado un modelo analítico para poder predeciruddicha acción sin necesidad de establecer un modelo de elementos finitos que represente el puente completo, lo cual puede ser de gran utilidad para el proyectista en las primeras fases de diseño.ud- Debido al inaceptable daño sísmico que ha sido registrado en varios modelos de torre con diamante inferior, se ha optimizado el diseño de este elemento y se han obtenido recomendaciones de diseño que minimizan tanto la disipación de energía por parte de la propia torre, como factores directamente relacionados con el coste de la cimentación. Un parámetro escalar que cuantifica simplificadamente el daño estructural en las torres debido al terremoto ha sido propuesto en función del balance energético, facilitando la comparación entre distintos modelos.ud- Se han observado relevantes incursiones inelásticas, tanto de las armaduras como del hormigón en varias estructuras, así como una importante fisuraciónuden zonas clave para la seguridad de la torre y, por tanto, de todo el puente.udCon el objetivo de evitar este inapropiado comportamiento, y de acercar la respuesta de las torres al rango puramente elástico, se ha estudiado la incorporación de dispositivos sísmicos. Para ello, la respuesta sísmica extrema y la energía disipada han sido contrastadas antes y después de incluir disipadores basados en la plastificación de metales y amortiguadores de fluidos viscosos.udHan sido considerados en cada caso varios diseños y diversas posiciones de estos dispositivos en la torre, obteniendo conclusiones relevantes para el proyectista.