Estudio teórico y experimental sobre el comportamiento no lineal de estructuras continuas parcialmente pretensadas

Abstract

(English) Performance-based design (PBD) is a philosophy for structural design that puts emphasis on the realistic estimation of the structural behaviour and its relationship with the objectives of the final user, or performance objectives. This is in contrast with the more traditional design approaches, where the emphasis is usually on the verification methods, through deemed-tosatisfy requirements. PBD opens a wide range of possibilities, yet to explore in its full extension, to novel techniques and design met)0ds that ma)ömises the use of the properties of the materials and structural typology. One of these techniques is partiallrprestressed concrete (PPC), which is a type of prestressed concrete in which controlled cracking is allowed during design conditions. This thesis proposes new design strategies for the design of PPC based on the direct control of crack opening and senice performance. At the same time, the methodology exploits the higher structural ductility and force redistribution in continuous structures. The method is completely performance-based and allows the design of continuous structures with the degree of redistribution and damage distribution that satisfy safety and seniceability. To study the real behaviour of structures designed following this approach, and to validate the proposed method, an experimental campaign was design considering seven continuous prestressed girders, with I-shaped cross-section. The girders represent a reduced-scale segment of the bridge deck typical of partially prestressed concrete applications. For the e)Qeriment design, a senice cracking objective was defined, different tendon layouts, and degrees of internal forced redistribution. The applied load protocol was designed to be representative of the senice life of the structure, including unloading and reloading cycles in senice and ultimate scenarios. The experimental campaign allowed validating the general hypothesis of the design methodology for partially-prestressed elements, as well as to deepen relevant aspects of the structural performance during the senice life. It was observed that through the design using the non-linear feasible solutions space, it is possible to reduce the reinforcement steel ratio, and also reduce the cross-section size. The designed elements showed great ductility and redistribution capacity. In addition, the detailed monitoring system installed allowed analysing the damage evolution and identifying the formation and development of plastic hinges under different load hypotheses. In addition, it was possible to investigate the stressstain variations in the critical sections with loading and the complex crack patterns developed in the elements. Finally, is was possible to identify different aspects on the behaviour of continuous partially.prestressed elements are relevant for the performance-based design applications, which supports a series of design recommendations, and specific conclusions.

(Español) El proyecto basado en prestaciones (PBP) es una filosofía de diseño de estructuras que pone el énfasis en la estimación realista del comportamiento de final de la estuctura y su relación con los objetivos del usuario. Esto contrasta con los métodos de proyecto tradicionales, cuyo énfasis está en el método de comprobación yen indicadores indirectos de obligado cumplimiento. El PBP abre un amplio campo de posibilidades, aún por explotar, a técnicas y métodos que permitan aprovechar al máximo las propiedades de los materiales ytjpología estuctural. Una de estas técnicas es el hormigón parcialmente pretensado (HPP), que es aquél en el que se permiten tensiones de tracción o fisuras controladas en situación de servicio. En esta tesis, se plantean nuevas estrategies de diseño de elementos HPP basadas en el confrol de la fisuración y prestaciones de servicio, a la vez que se pretende aprovechar su ductilidad ycapacidad de redistribución de esfuerzos en estructuras continuas. El método de carácter totalmente prestacional permitirá el proyecto de estructuras con un grado y esquema de redistribución tales que satisfagan las prestaciones de seguridad y aptitud al servicio. Para estudiar el comportamiento real de las estructuras proyectadas de esta forma y, a su vez, validar la metodología propuesta, se diseña una campaña experimental de siete elementos hiperestáticos, con sección en doble-T, que simulan un segmento a escala de un tablero de puente típico donde es aplicable el hormigón parcialmente pretensado. En el diseño de la serie de especímenes, se definió un objetivo de fisuración en servicio y se dimensionaron los elementos considerando diferentes grados de redistribución ytraados de pretensado. Durante et ensayo se consideró un protocolo de carga representativo de la xida de serücio, incluyendo ciclos de carga en el rango de servicio y otros en fase rotura. La campaña permite validar el criterio general de proyecto de elementos hiperestáticos parcialmente pretensados, así como profundiar en aspectos del comportamiento en servicio y rotura relevantes para un adecuado diseño basado en las prestaciones a lo largo de la vida de serücio. Se observa como el diseño empleando el espacio de soluciones pretensadas no lineales permite reducir las cuantías de armado ytambién las dimensiones de las secciones. El diseño realiado mostró gran ductilidad y capacidad de redistribución. Adicionalmente, el amplio sistema de instrumentación utilizda permitió analiar la evolución del daño, dando traabilidad a la formación y desarrollo de las rótulas plásticas para diversas hipótesis de carga. Asimismo, se pudo estudiar en detalle la variación tenso-deformacional de las secciones críticas con los procesos de carga y analizr y los complejos patrones de fisuración desarrollados en los elementos. Tras el desarrollo de esta tesis se han podido identificar diferentes aspectos sobre el comportamiento de elementos parcialmente pretensado y su proyecto prestacional que soportan una serie de recomendaciones de proyecto y conclusiones específicas.