Análisis dinámico no lineal de un puente colgante vehicular tipo de 100 metros de longitud ante cargas sísmicas y de viento, según AASHTO LRFD 2017 y NEC 2015
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Date
2022-09
Authors
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Publisher
Universidad Técnica de Ambato. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica. Maestría en Ingeniería Civil con Mención en Estructuras Metálicas
Abstract
The design of bridges is an area little shared in the third level of higher education,
much less if they have special characteristics and large spans, such as suspension
bridges. The present work contemplates the design of a 100-meter long suspension
bridge, performing a linear and nonlinear analysis of wind and seismic loads, as well
as assembling a document of manual calculations for the design of all the elements of
the bridge, which can serve as a guide for professionals interested in this branch of
engineering.
As a first part, the analysis and design of the bridge super structure was carried out by
means of dynamic analysis by vehicular loads, including, on the one hand, the wind
load calculation method established in the AASHTO LRFD and NEC 2015 and, on
the other hand, a wind tunnel. With a speed pattern equal to 80 mph (according to
AASHTO LRFD), it was evidenced that the dynamic analysis by means of a wind tunnel is predominant with respect to the static analysis based on forces, since it shows
in a real way the effects of the loads on each of the elements managing to obtain
unfavorable situations, since, in general terms there are values of displacements higher
by 10 percent.
After the design of the superstructure, the analysis of the substructure under seismic
loads was carried out, performing a spectral modal analysis vs. a nonlinear analysis in
the time domain, using acceleration records of real earthquakes scaled to the design
target spectrum, where the large differences between the demands produced in such
analysis can be evidenced, although both methods are dynamic, it will always be
advisable to perform it in the nonlinear range, since the real behavior of the seismic
event is evidenced, besides allowing us to know the behavior and the variation of
stresses and deformations during the duration of the seismic event.
The nonlinear analysis in the time domain was performed based on 9 accelerograms
that were scaled appropriately to the calculated target spectrum, whose results were
unfavorable compared to the spectral modal analysis, since the calculated drifts are 74
percent higher in the Y direction; 10 percent higher in the X direction.
Finally, a manual-type document with the design of the bridge elements according to
AASHTO LRFD is presented.
Description
El diseño de puentes es un área poco compartida en el tercer nivel de educación
superior, mucho menos si son de características especiales y de grandes luces, como
los colgantes. El presente trabajo contempla el diseño de un puente colgante tipo de
100 metros de longitud, realizando un análisis lineal y no lineal en lo que tiene que ver
a cargas de viento y sismo, además de armar un documento de cálculos manuales para
el diseño de todos los elementos del puente, que puede servir como guía a los
profesionales interesados en esta rama de la ingeniería.
Como primera parte se realizó el análisis y diseño de la súper estructura del puente
mediante el análisis dinámico por cargas vehiculares, incluyendo, por un lado, el
método de cálculo de cargas de viento establecido en la AASHTO LRFD y la NEC
2015 y, por otro, un túnel de viento. Con un patrón de velocidad igual a 80 mph (según
AASHTO LRFD), se evidenció que el análisis dinámico mediante un túnel de viento es predominante respecto al análisis estático basado en fuerzas, ya que muestra de
forma real los efectos de las cargas en cada uno de los elementos logrando obtener
situaciones desfavorables, pues, en términos generales se tienen valores de
desplazamientos mayores en un 10 por ciento.
Posterior al diseño de la súper estructura, se realizó el análisis de la subestructura ante
cargas sísmicas, realizando un análisis modal espectral vs un análisis no lineal en el
dominio del tiempo, utilizando registros de aceleraciones de sismos reales escalados
al espectro objetivo de diseño, donde se puede evidenciar las grandes diferencias entre
las demandas producidas en dichos análisis que, a pesar que los dos métodos son
dinámicos, siempre será recomendable realizarlo en el rango no lineal, pues se
evidencia el comportamiento real del evento sísmico, además de permitirnos conocer
el comportamiento y la variación de esfuerzos y deformaciones durante la duración del
evento sísmico.
El análisis no lineal en el dominio del tiempo se realizó en base a 9 acelerogramas que
se escalaron de forma apropiada al espectro objetivo calculado, cuyos resultados
fueron desfavorables en comparación del análisis modal espectral, pues las derivas
calculadas son un 74 por ciento mayores en el sentido Y; un 10 por ciento mayores en
el sentido X.
Finalmente, se presenta un documento tipo manual con el diseño de los elementos del
puente según AASHTO LRFD.
Keywords
ACELEROGRAMA, ANÁLISIS DINÁMICO,, ANÁLISIS NO LINEAL, CARGA VEHICULAR, DINÁMICA, ESPECTRO OBJETIVO, FUERZA DE VIENTO,, PUENTE COLGANTE, SISMO, TÚNEL DE VIENTO