Evaluación de vigas de un puente pretensado con baja armadura transversal mediante un modelo no lineal de filamentos

• Autores: Denise Carina Santos Ferreira, Antonio R. Marí Bernat, Jesús Miguel Bairán García
• Localización: Resúmenes de comunicaciones, 2014, ISBN 978-84-89670-80-8, págs. 121-122
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Assessment of prestressed concrete bridge girders with low shear reinforcement by means of a nonlinear filament frame model
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• Resumen
  • español

    La seguridad de puentes existentes y la eficiencia de medidas de refuerzo planteadas pueden estudiarse con precisión mediante modelos numéricos no lineales, que pueden servir de apoyo para la toma de decisiones sobre reparación, demolición o refuerzo, a fin de evitar intervenciones innecesarias o inapropiadas. En este ámbito, los modelos de elementos de viga con la sección idealizada en fibras, debido a su simplicidad y baja demanda computacional, son adecuados para la práctica de la ingeniería, siendo una alternativa a complejos modelos de elementos finitos (EF) 2D y 3D.

    En esta ponencia se presenta la evaluación estructural de un puente de hormigón pretensado con un baja cuantía de armadura transversal - el viaducto Wassnerwald en Suiza (Fig. 1a,b).

    El puente, construido en 1969, fue desmantelado en 1996 debido, entre otras razones, al no cumplimento de las normas de seguridad en respecto al cortante.

    Las vigas fueron ensayadas in situ hasta la rotura por el Instituto de Ingeniería Estructural IBK / ETH en Zúrich por Zwicky y Vogel, en 2000. Los ensayos fueron simulados numéricamente con un modelo no lineal de barras que considera la interacción del axil axial - cortante - flexión (1D N-V-M), recientemente desarrollado por los autores. Se compararan los resultados numéricos de otras simulaciones no lineales mediante un modelo de barras de flexión pura (1D N-M) y un modelo de EF 3D (Pimentel 2007).

    El comportamiento general de las vigas, incluyendo curvas fuerza-desplazamiento, patrones de fisuración (Fig. 2) y deformaciones en estribos, ha sido reproducido correctamente por el modelo 1D N-V-M.

    La similitud entre las predicciones de los modelos 1D N-V-M y EF 3D son notables, a pesar de las diferencias de complejidad computacional entre ellos. El modelo de barras de flexión 1D N-M no es apropiado a este caso ya que no contempla los efectos del cortante.

    Se estudiaron numéricamente diversas soluciones hipotéticas de refuerzo para este puente: refuerzo a cortante mediante pretensado vertical (Fig. 1c), que se demostró ineficaz ya que el mecanismo de rotura es dominado por flexión, y refuerzo a flexión mediante pretensado longitudinal externo (Fig. 1d) que produce un aumento significativo de la capacidad de carga, reduciendo, además, la fisuración.

    El modelo de filamentos 1D N-V-M utilizado en este trabajo se ha mostrado adecuado para aplicaciones prácticas de planificación de mantenimiento e intervenciones en puentes existentes, por su sencillez de aplicación y eficiencia computacional comparado con modelos 3D.

  • English

    The safety of existing bridges and the efficiency of strengthening measures can be accurately studied through nonlinear numerical models, assisting decisions of dismantle, repair or change of use and avoiding unnecessary or inappropriate interventions. In this context, filament beam models are adequate for the engineering practice, due to their inherent simplicity and low computational demand, being an alternative to more complex 2D and 3D finite element (FE) models.

    In this paper, the structural assessment of a prestressed concrete bridge presenting low shear reinforcement - the Wassnerwald Viaduct in Switzerland (Fig. 1a,b) – is presented.

    The bridge was built in 1969 and dismantled in 1996 due to, among other reasons, not complying with the safety standards related to shear. The dismantled beams were used to perform full-scale in situ load tests up to failure by the Institute of Structural Engineering IBK / ETH in Zurich by Zwicky and Vogel, 2000.

    The tested girders were numerically simulated with a nonlinear filament beam model considering axial force – shear – bending (1D N-V-M) interaction recently developed by the authors. Further nonlinear simulations by means of pure flexural fibre beam model (1D N-M) and a 3D FE model (Pimentel 2007) were included for comparison purposes.

    The general response of the girders including force-displacement curves, cracking patterns (Fig. 2) and state of the stirrups, was correctly reproduced by the 1D N-V-M model. The similarity of the predictions by the 1D N-V-M and the 3D FE models are remarkable, regarding the significant differences of complexity and computational demanding between the two modelling strategies. The 1D N-M fibre beam model is not appropriate for this case as shear is neglected.

    Hypothetical strengthening solutions for this bridge were numerically studied: a shear strengthening through vertical prestressing (Fig. 1c) that proved to be inefficient as the failure mechanism was flexural dominant; and a bending strengthening through external longitudinal prestressing (Fig. 1d) increasing significantly the load carrying capacity while reducing cracking. The N-V-M filament beam model used in this paper is adequate for practical applications regarding maintenance planning and adequate interventions of existing bridges. It is more appealing than 3D FE models pertaining to handling complexity and computational efficiency.