Estudio de refuerzo sísmico de un puente mediante aisladores para mejorar la vida útil
baguarobertorresTesis14 de Octubre de 2022
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Estudio de refuerzo sísmico de un puente mediante aisladores para mejorar la vida útil
Abstract — In this article, the effects of ground motion are investigated by recording nearby faults in the structure as well as rubber isolators. To achieve this, a highway bridge with hybrid rubber isolators was modeled to assess the effect of vertical ground motion. The study was carried out under two conditions: with only two horizontal seismic components and with three seismic components. The results showed that the maximum shear and axial force in the isolators and the column axial force and moment in the bridge experience a significant increase under seismic excitations.
Keywords: Seismic isolation , Vertical ground motion component, Time history analysis, Highway bridge.
Introducion
Actualmente, el aislamiento sísmico es una de las técnicas en la metodología de rehabilitación de estructuras. El aislamiento sísmico permite obtener el desacoplamiento del tablero de los componentes del sismo horizontal, lo que lleva a una reducción significativa de la aceleración del tablero y en consecuencia, de los esfuerzos transmitidos al pilar.(Castaldo & Amendola, 2021)
La función principal del sistema de aislamiento sísmico es aumentar el periodo de vibración aumentando la flexibilidad lateral en los puentes y otras estructuras. (Ates & Constantinou, 2011)
Los aisladores sísmicos se dividen en dos categorías: Rodamientos de goma y rodamientos de fricción deslizante. Aunque la flexibilidad horizontal y las características de amortiguación de los cojinetes de caucho proporcionan los efectos de aislamiento deseados en el sistema, se cree que los cojinetes deslizantes ofrecen ventajas sobre los cojinetes de caucho. Los cojinetes de aislamiento de fricción deslizante son todos pasivos que hacen uso de superficies deslizantes para generar una fuerza de centrado y proporcionar una fuerza de fricción para exhibir rigidez y amortiguación dependientes del deslizamiento. (Design et al., 2019)
Este estudio analiza la influencia de las propiedades del aislador DCFP en el desempeño sísmico de puentes aislados de tablero continuo de varios vanos. El comportamiento se analiza empleando un modelo de 8 grados de libertad representando la flexibilidad del pilar de hormigón armado (RC) de los aisladores DCFP y de la presencia rígida tanto del pilar de RC como de la plataforma de RC. En detalle, se desarrolla un estudio de varias propiedades estructurales de la pila y de los aisladores DCFP. (Castaldo & Amendola, 2021)
- DESCRIPCION DEL SISTEMA CON ECUACIONES DE MOVIMIENTO
Se emplea un sistema de 8 grados de libertad para modelar la configuración del puente continúo aislado de varios vanos como de la figura 1, de las cuales 5 grados de libertad están dados por las masas agrupadas del pilar RC elástico, 2 grados corresponden a las dos masas deslizantes de los aisladores DCFP y un grado está relacionado con la masa rígida de cubierta RC.
[pic 1]
Fig. 2. Modelo de 8 grados de libertad del puente aislado con apoyos DCFP mostrando los desplazamientos relativos con respecto al suelo.
[pic 2]
Fig. 2. Derivas entre las masas.
Además, se ha desarrollado un análisis para definir el número apropiado de masas agrupadas para considerar los efectos de los modos superiores, debido a las propiedades del muelle y el rendimiento del sistema para las propiedades estructurales. Las ecuaciones de movimiento que gobiernan la respuesta del modelo que representa un puente aislado con aisladores DCFP, en términos de desplazamientos horizontales con respecto al suelo, sometido a la entrada sísmica a lo largo de la dirección longitudinal, aplicar:
[pic 3]
[pic 4]
[pic 5]
[pic 6]
[pic 7]
Para i = 1, 2, 3, 4
Donde,
= denota el desplazamiento de la superestructura en relación con el suelo.[pic 8]
= el desplazamiento de la corredera del dispositivo DCFP en el pilar con respecto al suelo.[pic 9]
= el desplazamiento de la corredera del dispositivo DCFP en el estribo con respecto al suelo.[pic 10]
(i=1,…,5) = el desplazamiento de la masa del pilar i con respecto al suelo.[pic 11]
= las masas del tablero y de los dos dispositivos DCFP sobre la pila y sobre el estribo.[pic 12]
(i=1,…,5) = la i-ésima masa concentrada en la pila.[pic 13]
= la rigidez y la constante de amortiguamiento viscoso inherente para cada pilar.[pic 14]
t = tiempo instantáneo.
= son las reacciones de los rodamientos de DCFP en el estribo y en la pila.[pic 15]
Las reacciones de los rodamientos DCFP, estos se pueden modelar como una combinación de dos aisladores FPS. Así cuando se puede despreciar la fuerza de inercia asociada con el movimiento de la pequeña masa deslizante, las fuerzas de reacción en la superficie inferior y superior (F2 y F1) se vuelven iguales y se pueden obtener como:
(2)[pic 16]
Donde,
u es el desplazamiento global horizontal del aislador DCFP.
representa el desplazamiento horizontal de la superficie superior.[pic 17]
representa el desplazamiento horizontal de la superficie inferior.[pic 18]
, es el coeficiente de fricción de deslizamiento que depende de la velocidad del deslizamiento a lo largo de una de las dos superficies internas del cojinete.[pic 19][pic 20]
es la función signo.[pic 21]
La primera parte del lado derecho, representa la rigidez de restauración equivalente () del rodamiento DCFP combinado a partir se puede obtener el periodo natural restaurador de la siguiente manera:[pic 22][pic 23]
(3)[pic 24]
(4)[pic 25]
Donde,
g = gravedad
= radio de curvatura superior e inferior del aislador DCFP.[pic 26]
Si tenemos que el deslizamiento ocurre en ambas superficies y en la misma dirección, entonces representa el coeficiente de fricción equivalente del dispositivo DCFP.
(5)[pic 27]
FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Y PROPUESTA NO DIMENSIONAL CON RESPECTO A LA INTENSIDAD SISMICA
Para analizar el comportamiento sísmico del sistema, las ecuaciones de movimiento se reducen a forma adimensional. La ecuación 1 se puede reescribir en términos de derivas entre los agrupados de masa del sistema, las cuales una vez operando, se pueden obtener las reacciones de los rodamientos DCFP:
[pic 28]
[pic 29]
[pic 30]
[pic 31]
Introduciendo ciertas proporciones como:
[pic 32]
[pic 33]
Estas derivas se obtienen los siguientes parámetros adimensionales que controlan el sistema del puente.
[pic 34]
[pic 35]
[pic 36]
[pic 37]
Donde,
corresponden a las relaciones de masa[pic 38]
es el amortiguamiento viscoso inherente[pic 39]
relación con la vibración de pulsación.[pic 40]
Dado que estos parámetros dependen de la respuesta a través de las velocidades, entonces se usan de la siguiente manera:
[pic 41]
[pic 42]
Se observa que la respuesta normalizada no depende del sistema de intensidad.
Los parámetros de respuesta no dimensionales que describen la respuesta dinámica máxima del tablero, del pilar y de las dos superficies de deslizamiento de los dos apoyos DCFP, se definen como:
[pic 43]
[pic 44]
[pic 45]
[pic 46]
La propuesta de dimensionalización de las ecuaciones de movimiento con respecto a la intensidad sísmica para puentes con aisladores DCFP a dado lugar a ecuaciones con parámetros definidos en un nuevo dominio de tiempo e independientes de la intensidad sísmica. Esto significa que los resultados puedan ser útiles para el diseño de puentes de tablero continuo, aislados con dispositivos DCFP.
ESTUDIO PARAMETRICO
Se presenta los resultados de un estudio paramétrico de un puente como de la figura 1, para evaluar el desempeño sísmico de puentes aislados con apoyos DCFP.
4.1. INTENSIDAD SISMICA Y MOVIMIENTOS DEL SUELO
El desempeño sísmico de cualquier sistema debe tener en cuenta la variabilidad de la intensidad, el contenido de frecuencia y la duración de los registros en el sitio. Este estudio separa las incertidumbres relacionadas con la intensidad de entrada sísmica de aquellas sobre las características del registro al introducir una medida de intensidad IM que corresponde al factor de escala. De esta manera la intensidad sísmica se describe mediante una curva de riesgo, mientras que la aleatoriedad del movimiento del suelo para un nivel fijo de intensidad sísmica el movimiento del suelo se caracteriza por una duración y frecuencia diferente. En este estudio, la pseudoaceleración espectral Sa, en el periodo aislado T = 2π/ꞷd se asume como medida de intensidad.
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