Análisis y comportamiento sísmico del puente colgante Billinghurst basado en desempeño y consideraciones especiales

Abstract

La unidad de análisis de la presente tesis es el puente colgante Billinghurst de una longitud de 723 m, ubicado en el departamento de Madre de Dios del país del Perú, y considerado el segundo puente más largo. Ha sido analizado por la metodología de diseño por desempeño sísmico, dentro del cual se ha sumado otras definiciones como las consideraciones especiales; como los efectos de terremotos de campo cercano, la componente vertical de los acelerogramas y la direccionalidad de los sismos rotados, que han sido considerados para el análisis, lo que los códigos internacionales de puentes no consideran habitualmente. La metodología de la ingeniería de terremotos basado en desempeño (PBEE) ha transformado la cultura de la ingeniería de puentes en el mundo. Es un diseño global que enmarca conceptualmente muchos procedimientos que permite diseñar estructuras para tener un desempeño o comportamiento predecible ante diferentes niveles de riesgos sísmicos. La metodología incorpora la probabilística no lineal, la probabilidad de colapso, y el análisis dinámico incremental (IDA). Así también otros elementos como registros sísmicos de movimientos de suelos, información del diseño, y pruebas de ensayo de laboratorio. Bajo la norma peruana E-030, este tipo de puentes está considerado como una estructura esencial, en la que se debe garantizar que permanezca en condiciones de operatividad inmediatamente luego de un sismo severo. Entre los registros sísmicos empleados en el análisis del presente puente colgante, se han seleccionado bajo cierto criterio algunos terremotos del mundo (Estados Unidos, Japón, Nueva Zelanda, Taiwán, Turquía y Perú), en el cual sus espectros sísmicos se han agrupado por la similitud de sus duraciones, periodos de vibración largos y tipo de suelo. El Diseño sísmico por desempeño, está basado en desplazamientos de las estructuras, en el cual la capacidad de desplazamiento del puente debe ser mayor que el desplazamiento de la demanda sísmica. La capacidad de desplazamiento se determina con base en los límites de deformación, en el rango no lineal de los materiales, de los elementos estructurales del puente, en la que la deformación se considera un indicador apropiado para cuantificar los daños que causan los sismos fuertes. El comportamiento sísmico del puente depende principalmente del desempeño del sistema torres-pilares-pilotes y su respectiva conexión. Los niveles de peligro sísmico, o niveles de estados límite, han sido determinados para este puente, con base en una elección entre los códigos o normas internacionales de Estados Unidos, Europa, Japón, China y Canadá. Entre los niveles de desempeño considerados para este tipo de puente se encuentran tres: el de servicio, control de daños y prevención del colapso, los cuales están directamente relacionados con un período de retorno sísmico. El método de análisis que se ha empleado en el modelamiento del puente fue el de tipo sísmico tiempo-historia no lineal tridimensional, que se exige en la metodología de desempeño y códigos internacionales, que fue realizado a través del software SAP2000 basados en elementos finitos tipo Frame. Como parte de la metodología por desempeño, también se ha analizado por separado la torre y la subestructura (pilares-pilotes) bajo el método de análisis dinámico no lineal tiempo historia con base en los estudios de peligro sísmico, que fue realizado a través de los softwares de análisis de elementos finitos de propósito general ANSYS y DIANA. Lo que finalmente determinó los distintos tipos de daños y su respectiva ubicación en diferentes partes del puente. Como producto de los resultados obtenidos de esta investigación, permitió estimar mejor y más real el comportamiento de la respuesta estructural del puente colgante cuando suceda un fuerte terremoto y se controle el colapso. Con base en esta investigación y en las consideraciones especiales planteadas bajo esta metodología, se determinó si el diseño del puente colgante Billinghurst cumple o no con los criterios de niveles de desempeño y normas internacionales.

The unit of analysis of this thesis is the Billinghurst suspension bridge, with a length of 723 meters, located in the department of Madre de Dios in Peru, and considered the second longest bridge in the country. It has been analyzed using the seismic performance-based design methodology, which includes additional considerations such as near-field earthquake effects, the vertical component of accelerograms, and the directionality of rotated earthquakes, which are typically not accounted for in international bridge codes. Performance-based earthquake engineering (PBEE) has transformed the culture of bridge engineering worldwide. It is a comprehensive design framework that conceptually integrates various procedures, allowing structures to be designed for predictable performance under different levels of seismic risk. The methodology incorporates nonlinear probabilistic analysis, collapse probability, and incremental dynamic analysis (IDA). It also includes other elements such as seismic records of ground motions, design information, and laboratory test data. Under the Peruvian E-030 standard, this type of bridge is considered an essential structure, which must remain operational immediately after a severe earthquake. Among the seismic records used in the analysis of this suspension bridge, several earthquakes from around the world (United States, Japan, New Zealand, Taiwan, Turkey, and Peru) were selected based on criteria such as similarity in duration, long vibration periods, and soil type. Performance-based seismic design is based on structural displacements, where the displacement capacity of the bridge must be greater than the seismic demand displacement. The displacement capacity is determined based on deformation limits in the nonlinear range of the materials of the structural elements of the bridge, where deformation is considered an appropriate indicator to quantify the damage caused by strong earthquakes. The seismic behavior of the bridge primarily depends on the performance of the tower-pier-pile system and its respective connections. The levels of seismic hazard, or limit states, for this bridge were determined based on a selection

of international codes or standards from the United States, Europe, Japan, China, and Canada. The performance levels considered for this type of bridge include three: service, damage control, and collapse prevention, which are directly related to a seismic return period. The analysis method used for modeling the bridge was a three-dimensional nonlinear time- history seismic analysis, as required by performance-based methodology and international codes, conducted using SAP2000 software based on frame finite elements. As part of the performance-based methodology, the tower and substructure (piers-piles) were also analyzed separately using the nonlinear time-history dynamic analysis method based on seismic hazard studies, conducted through general-purpose finite element analysis software ANSYS and DIANA. This ultimately determined the different types of damage and their respective locations in various parts of the bridge. The results of this research allowed for a better and more realistic estimation of the structural response behavior of the suspension bridge during a strong earthquake and collapse control. Based on this research and the special considerations outlined in this methodology, it was determined whether the design of the Billinghurst suspension bridge meets the performance level criteria and international standards.