Comportamiento Sísmico de

Puentes Prefabricados

José BenjumeaProfesor

Universidad Industrial de SantanderColombia

1

Experimental and Analytical Seismic Studies of a Two-Span Bridge System with Precast Concrete Elements and ABC Connections

Advisor: Prof. M. “Saiid” SaiidiCo-Advisor: Prof. Ahmad Itani

Department of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Nevada, Reno

2

Hamilton Fish Newburgh-Beacon Bridge, USAhttp://lightweightbridgedecksystems.com/?p=224

Laurel Street Overcrossing, USAMellon (2017)

Fotos de A. Castellanosandres_cd@hotmail.com

3

Tiem

po

de

co

nst

rucc

ión

en

sit

io

✓ Reducción sustancial de tiempos de construcción en el sitio

✓ Menor exposición del personal de obra y público general a riesgos de construcción

✓ Incremento potencial de la durabilidad

¿Respuesta sísmica del puente y de las conexiones?

4

5

Zapata

Co

lum

nas

Viga cabezal

Pórtico ensamblado

Ace

lera

ció

n (

g)

6

• Evitar colapso para el sismo de diseño

- Ductilidad (daño significativo)

- Elementos protegidos por capacidad

- Transferencia de cargaCaltrans MTD-20 (2010)

7

Conexiones

Superestructura

Juntas entre tableros prefabricados

Viga-Tablero

Continuidad del tablero sobre apoyo central

Continuidad en los estribos

Subestructura

Pilotes-dado

Estribo-cimentación

Columna-cimentación

Columna-viga cabezal

Conexiones entre segmentos de columnas Scholz, D (2004)

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Ensayos en Componentes

• Unidireccionales • Conexiones mostraron desempeño sísmico

comparable a uniones monolíticas

Ensayos en Puentes

Kavianipour and Saiidi (2013)

• Puente de 4 luces, escala 1/4• Columnas encamisados en FRP y GFRP• Sólo tres tipos de conexiones

9

• Representativo de prácticas de diseño y construcción en zonas de amenaza sísmica alta

• Elementos prefabricados y materiales convencionales

• Restricciones en el laboratorio

• Número representativo de conexiones

Puente Modelo “Calt-Bridge1”

Conexión CAP con diafragma

fundido en sitio

Cargas en servicio

(a)

(b)

(c)

(d)

Vigas o superestructura prefabricada

10

Sistema continuo e integralLuz total= 200 m ≈ 60 𝑚Ancho del tablero = 31 𝑓𝑡 ≈ 9.3 𝑚

𝑆𝑎 𝑇𝑒𝑓𝑓 = 1.06𝑔

11

20.9m

3.3

m

• Escala geométrica = 0.35

• Estribos tipo silla

• Apoyos deslizantes (SS-PTFE)

• Interacción puente-estribo-suelo, y topes sísmicos laterales y muro espaldar en estribos no incluidos.

• Peso total aprox. 880 kN

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3.3 mColumnas

𝑓´𝑐=4 ksi, 𝑓𝑦=60 ksi

Long. bars: 10#6 (𝜌l=1.73%)

Espiral: #3@1.75" (𝜌 s=1.65%)

𝜇𝐷= 3.2 𝜇𝐶=4.2 – 4.6

Superstructura

• Tablero con paneles prefabricados

𝑓´𝑐=5 ksi, 7 cm espesor

• Vigas PC/PS con aleta ancha (California)

0.5 m altura , 𝑓´𝑐=8 ksi, 3/8-dia. Gr. 270

𝐷𝑐𝑜𝑙=0.45 m 𝐻𝑐𝑜𝑙 = 2.1 𝑚

13

(6) Deck Panel-to-Deck

Panel Connection

(5) Deck-to-Girder

Connection

(3) Girder-to-Cap Connection

for Positive Seismic Moment(4) Deck Connection at Pier

(1) Pipe-pin Connection (2) Column-to-Cap Beam ConnectionDisassembled Bent

Footing

Pedestals

Column

Segments

PC Cap

• 38 elementos prefabricados• 6 tipos de conexiones

- Diseño basado en

metodologías no prescritas en

códigos

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(1) “Base Pipe-Pins”

• “Rótula” biaxial• Primer ensayo con sismos bidireccionales

15

(2) Conexión Híbrida Columna-Viga cabezal

• Ductos rellenos con grout(hi-flow, baja retracción y alta resistencia temprana)

• Barras longitudinales de la columna embebidas en diafragma

• Usada en la práctica. No ensayada bajo cargas biaxiales.

(3) Conexión Vigas-Viga Cabezal

16

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

DC+DW

DC+DW+EQL 𝑴+

𝑴−

Fundido en sitio (apoyadoen cimbra)

Simple para DC/DW y continuo para LL+IM

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• Torones (no tensionados) extendidos y doblados• Dovelas (cortante por fricción) • Diafragma fase I: 𝑓´𝑐=4 ksi

(4) Conexión de Tableros Prefabricados en el Pórtico

Anclajes mecánicos(no usados en el modelo)

18

Paneles prefabricados

19

- Traslapo de barras longitudinales del tablero en capa de UHPC (𝑓’𝑈𝐻𝑃𝐶 min 15 ksi)

- UHPC incrementa adherencia y resistencia de la conexión

20

(5) Conexión Viga-Paneles Prefabricados y (6) Panel-Panel

Juntas panel-panel transversales

Juntas panel-panel longitudinales(Garber & Shahrokhinasab, 2019)

Conexión viga-tablero

Tableros prefabricados transversales Tableros prefabricados longitudinales

“Bolsillos” cada 0.6 a 1.2 m

21

2 3 4

Panel

Viga

𝑽𝒉

PanelCluster de conectores

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Junta PCI con GroutTablero postensado (PT)

Juntas con UHPC (FHWA)No requiere PT

Unión viga exterior-panel Juntas panel-panel rellenas con UHPC

23

24

Construcción del Puente Modelo

25

Zapataprefabricada

Columna prefabricada

Pedestal prefabricado

26

ColumnaPórtico Prefabricado

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Vigas prefabricadas

Antioch, California

Diafragmas fundidos en sitio

28

Paneles prefabricados

29

30

Utah Department of TransportationTennessee Department of Transportationhttps://newsroom.kiewit.com/kieways/memfix-4-success-abc-bridge-slide-technology/

31

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Protocolo de Carga

• Modelado numérico del puente (antes de ensayos)

• Demanda de desplazamiento resultante SRSS debido al sismo de diseño (DE, “Design Earthquake”)∆𝐷=3.59 in. → Deriva 4.27%

• 1994 Northridge Earthquake – Sylmar Station.

• Ocho sismos biaxiales consecutivos con amplitud creciente

Ensayos en Mesa Sísmica

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Run#

Factor de Escala

%DEPGA Long.

(g)PGA Trans.

(g)

1 0.107 20% 0.10 0.072 0.268 50% 0.25 0.173 0.401 75% 0.37 0.254 0.535 100% 0.49 0.335 0.669 125% 0.62 0.426 0.803 150% 0.74 0.507 0.936 175% 0.86 0.588 1.070 200% 0.98 0.66

DE-HLONG

DE-HTRAN

34

Run 4 (100% DE) Run 8 (200% DE)

35

Run 8 (200% DE)Run 8 (200% DE)

36

Run 8 (200% DE)

37

Run 8 (200% DE)

Daño en el

Teflon

𝜽𝑏𝑟𝑖𝑑𝑔𝑒

Rotación de la Superestructura

0.005

0

-0.005

-0.01

-0.015

-0.02

-0.025

-0.03

-0.035

In-p

lane

Rota

tio

n (

rad

)−𝟎. 𝟎𝟎𝟕𝟒 𝒓𝒂𝒅

Run 2 Run 4 Run 6 Run 8

−𝟎. 𝟎𝟎𝟐 𝒓𝒂𝒅

−0.010 𝑟𝑎𝑑

−𝟎. 𝟎𝟑𝟏 𝒓𝒂𝒅

Spliced Time (s)

38

∆𝒎𝒂𝒙=1.3 in

(32.5 mm)∆𝒎𝒂𝒙= 3.7 in

(93 mm) RUN 8∆𝒎𝒂𝒙= 14.5 in

(363 mm)

39

40

-7.1 6.0 4.8 3.6 2.4 1.2 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0 -7.1 6.0 4.8 3.6 2.4 1.2 0 1.2 2.4 3.6 4.8 6.0

𝐷𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎 (%)

• Respuesta dúctil con suficiente disipación de energía histerética• 𝜇𝑐(𝑆𝑅𝑆𝑆) 𝑒𝑠𝑡𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎 = 6.5 basada en reserva de capacidad del 26%

Respuesta Histerética

Longitudinal Transversal

𝐷𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎 (%)

41

Desempeño de la Conexión Pipe-pin

• Daño cosmético en los pedestales

• Daño en el neopreno (demanda fue subestimada)

• Capacidad de rotación suficiente (objetivo de la “rotula”)

• Refuerzo de la columna, tubos metálicos y barras roscadas con respuesta elástica

Columna

Zapata

42

Desempeño de la Conexión Híbrida

Columna-Viga Cabezal

North Column South Column

Figure ¡Error! No hay texto con el estilo especificado en el documento.-1. Damage state of

the top portion of the columns at the end of Run 8.

Run 4

• 100%DE- Mínimo daño- Plastificación en barras de refuerzo

• 200%DE- Inicio de falla por aplastamiento del

concreto confinado- Espirales expuestas- Barras longitudinales no fallaron

43

La conexión con ductos rellenos garantizó el anclaje de las barras longitudinales

44

Desempeño de las Conexiones Superestructura-Viga Cabezal

Fisuras no visibles + Unión cuasi rígida + Respuesta elástica

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Desempeño de las Conexiones Viga-Tablero y Panel-Panel

- Daño no visible- Desplazamientos relativos

marginales (0.24 mm)

¿Los puentes construidos con elementos prefabricados, materiales convencionales y varias conexiones CAP (ABC)

pueden emular el desempeño sísmico de puentes fundidos en el sitio?

Si

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Oportunidades y Retos en Colombia

FHWAhttps://www.fhwa.dot.gov/bridge/pubs/hif17019.pdf

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• Potencial reducción de costos totales de construcción y costos durante el ciclo de vida útil

• Experiencia de contratistas y tecnología constructivas

• Escasez de estudios locales y normas de diseño para conexiones

Fotografía por Javier Morales john.moralesa@upb.edu.co

Marsh et al (2013)

José BenjumeaProfesor Asistente - Escuela de Ingeniería CivilE-mail: josbenro@uis.edu.coTel.: 6344000 EXT 2930 48

¡Gracias!