Passive Seismic Protection of Cable-Stayed Bridges Applying Fluid Viscous Dampers under Strong Motion

Abstract

Terremotos recientes han demostrado la gran vulnerabilidad de algunos puentes ante movimiento fuerte. Los de tipo atirantado constituyen una tipología estructural muy atractiva, y que actualmente es empleada para muchos fines prácticos, por lo que es necesaria su protección sísmica. Entre las actuales estrategias de protección, el uso de dispositivos pasivos es la más robusta, económica y apropiada opción para mejorar el desempeño sísmico de estructuras, de entre los que destacan los sistemas de disipación de energía adicional como una buena alternativa. Debido a sus capacidades, fácil recambio y mantención, así como su buen comportamiento mecánico, los amortiguadores de fluidos viscosos son un excelente sistema de disipación de energía para proteger grandes estructuras contra eventos sísmicos intensos. Es por ello que el análisis, evaluación y comparación de la respuesta sísmica no lineal de puentes atirantados de hormigón, con y sin la incorporación de amortiguamiento viscoso suplementario, con el propósito de investigar su efectividad ante eventos sísmicos, es el principal objetivo de esta investigación aplicada. <br/><br/>Para alcanzar lo antes expuesto, se definieron previamente ocho modelos teóricos de puentes atirantados basados en los internacionalmente conocidos puentes de Walter [Walter, 1999], considerando variaciones del esquema de atirantamiento, nivel del tablero, tipo de tablero y espaciamiento de los cables. Como punto de partida para el análisis dinámico no lineal, se realizó un análisis estático no lineal para todos los casos. Luego, se llevó a cabo una caracterización dinámica de los puentes mediante un análisis modal. Como primera aproximación a la respuesta sísmica de los modelos, se ejecutó un análisis mediante espectros de respuesta para cada caso, con el propósito de comparar el comportamiento sísmico en función de las principales variaciones consideradas, y para seleccionar los dos modelos más representativos para ser analizados usando análisis no lineal paso-a-paso. En seguida, se analizaron las estructuras elegidas en el paso previo mediante uso de análisis temporal no lineal por integración directa, sin la consideración de amortiguamiento viscoso suplementario, y tomando en cuenta sismos de campo lejano y campo cercano. En este sentido, se aplicaron cinco eventos sísmicos artificiales para el análisis de campo lejano, y cinco eventos reales que incorporasen pulsos de velocidad de período largo para el análisis de campo cercano, según el Capítulo 3. Finalmente, el análisis de la ubicación óptima de los amortiguadores, un estudio paramétrico tendiente a seleccionar los parámetros óptimos de los mismos, y el análisis paso-a-paso no lineal considerando los amortiguadores viscosos definitivos, fueron investigados con la idea de comparar las respuestas en función de la naturaleza del evento sísmico y el tipo de atirantamiento de los cables, considerando los mismos eventos sísmicos antes expuestos. <br/><br/>Los resultados de la investigación muestran que la aplicación de amortiguamiento viscoso suplementario es una eficiente estrategia para incrementar el amortiguamiento de una estructura, absorbiendo una gran cantidad de la energía de entrada, y controlando la respuesta de estructuras de período largo, sobre todo en la dirección longitudinal, en donde se manifiestan las mayores respuestas. Más de un 55% de la energía de entrada puede ser disipada usando éstos dispositivos, los cuales resultan ser igualmente efectivos para sismos de campo lejano y campo cercano, con independencia del esquema de atirantamiento empleado, por lo que constituyen una excelente estrategia de protección pasiva. Debido a la gran no linealidad de éstas estructuras, el método del espectro de respuesta debe ser considerado sólo como primera aproximación al problema, y para propósitos comparativos. Para resultados más precisos, y para aplicaciones de diseño, el análisis no lineal paso-a-paso es siempre la mejor opción. Por otro lado, ésta investigación prueba el despreciable efecto del esquema de atirantamiento en la respuesta sísmica, así como el importante aumento de la respuesta cuando son tomados en cuenta los efectos tipo pulso de la directividad de la falla, característicos de sismos de fuente cercana.

Recent seismic events have demonstrated the vulnerability of some bridges under strong ground motions. Cable-stayed bridges are an attractive bridge typology currently used for many practical purposes, constituting important structural systems to be protected against earthquakes. Amongst the current seismic protection strategies, the use of passive devices is the most robust, economic and well-suited option to improve the seismic performance of structures, in which additional energy dissipation systems is good choice. Because of their capacities, easy replacement and maintenance, as well as their interesting mechanical properties, fluid viscous dampers could be an excellent additional energy dissipation system to protect large structural systems against strong earthquakes. For that reason, the analysis, assessment and comparison of the nonlinear seismic response of concrete cable-stayed bridges, with and without the incorporation of nonlinear fluid viscous dampers in order to investigate their effectiveness for seismic protection purposes, is the main objective of this applied research. <br/><br/>To reach the proposed objectives, firstly, eight theoretical cable-stayed bridge models based on the well-known Walter's Bridges [Walter, 1999] were defined; considering variations of the stay cable layout, deck level, deck type and stay spacing. As a starting point of the nonlinear dynamic analysis, a nonlinear static analysis was performed for all the cases. After that, the dynamic characterization of the models was carried out by means of a modal analysis. As a first approach of the seismic response of the bridges, response spectrum analysis was performed in order to compare the seismic behaviour as function of the main variations considered, and to select the two most representative bridges to be analyzed using nonlinear time history analysis. The following stage was the seismic analysis of the selected bridge models from the previous step, applying nonlinear direct integration time history analysis, without additional energy dissipation devices, and considering both far-fault and near-fault ground motions. In these sense, five artificially generated earthquake events were considered for the far-fault analysis, as long as five real earthquake events containing long-period velocity pulses were included for the near-fault analysis, according to Chapter 3. Finally, the analysis of the optimal layout of the dampers, a parametric study to select the optimal damper parameters and the nonlinear step-by-step analysis considering the incorporation of the definitive fluid viscous dampers were investigated in order to compare the seismic responses as a function of the earthquake nature and stay cable layout, taking into account the same earthquake events before mentioned. <br/><br/>Results of this investigation show that application of fluid viscous dampers as additional passive energy dissipation systems is a very efficient strategy to increase the damping of a structure, absorbing a significant amount of the seismic input energy, and controlling the seismic response of long-period structures, mainly in the longitudinal direction, where the main responses occur. More than 55% of the input energy can be dissipated with these devices, being equally efficient for far-fault and near-fault ground motions, independent on the stay cable layout, which constitutes a very promising strategy to protect cable-stayed bridges against earthquakes. Because of the highly nonlinear behaviour of those structures, response spectrum analysis must be considered only as first approach to the seismic response and for comparative purposes. For more accurate analysis results, and for design applications, nonlinear time-history analysis is a necessary choice. Likewise, it is demonstrated that the effect of the stay cable layout on the nonlinear seismic response of the bridges is not very important, as well as an important increase of the seismic response when forward rupture directivity pulse effects are considered, a characteristic of near-source ground motions.