Evaluación de la fragilidad sísmica para puentes tipo monopila sometidos a diferentes mecanismos de ruptura sísmica

Abstract

La investigación desarrolla un análisis integral de la fragilidad sísmica en puentes tipo monopila, considerando los mecanismos de ruptura cortical, interplaca e intraplaca característicos de la sismicidad chilena. El trabajo inicia con la caracterización de estos tres tipos de sismo y su incidencia sobre infraestructuras viales, estableciendo las bases para la modelación numérica. A partir de esta caracterización, se implementan en OpenSees modelos tridimensionales que reproducen la geometría, propiedades mecánicas y condiciones de apoyo de puentes reales, incorporando la interacción sueloestructura mediante la modelación de pilas. Se exploran variaciones geométricas relevantes como altura de columna, luz del tablero y diámetro de pila con el fin de evaluar su influencia sobre la demanda sísmica y los modos de falla estructural. La caracterización sísmica empleada incluye registros de eventos reales que representan los tres mecanismos de ruptura mencionados, los cuales son escalados para ajustarse al espectro de diseño definido por la normativa chilena. Se realizan análisis dinámicos no lineales en el dominio del tiempo para obtener parámetros de respuesta como desplazamientos relativos, curvaturas y deformaciones en apoyos elastoméricos. A partir de estos resultados, se establecen estados límite de daño para componentes estructurales y se construyen curvas de fragilidad mediante modelos probabilísticos lognormales, diferenciando entre escenarios con y sin escalamiento de registros. El desarrollo metodológico incorpora la comparación entre diferentes configuraciones de puente y la evaluación del impacto que tienen los distintos tipos de sismo en la probabilidad de alcanzar estados de daño leve, moderado, extensivo y completo. Entre los principales hallazgos se identifica que, sin escalar los registros, los sismos corticales tienden a generar las mayores probabilidades de daño leve debido a la coincidencia entre su alto contenido de energía en periodos cortos y el bajo periodo fundamental de los puentes.

The research presents a comprehensive analysis of the seismic fragility of monopile-type bridges, considering the cortical, interplate, and intraplate rupture mechanisms characteristic of Chilean seismicity. The study begins with the characterization of these three types of earthquakes and their impact on road infrastructure, establishing the basis for numerical modeling. Based on this characterization, three-dimensional models are implemented in OpenSees to replicate the geometry, mechanical properties, and support conditions of real bridges, incorporating soil–structure interaction through pile modeling. Relevant geometric variations such as column height, deck span, and pile diameter are explored to assess their influence on seismic demand and structural failure modes. The seismic characterization uses records of real events representing the three rupture mechanisms mentioned above, which are scaled to match the design spectrum defined by Chilean regulations. Nonlinear time-history analyses are performed to obtain response parameters such as relative displacements, curvatures, and deformations in elastomeric bearings. From these results, damage limit states are defined for structural components, and fragility curves are constructed using lognormal probabilistic models, differentiating between scenarios with and without record scaling. The methodological approach includes the comparison between different bridge configurations and the assessment of the impact of each earthquake type on the probability of reaching slight, moderate, extensive, and complete damage states. Among the main findings, it is observed that, without scaling the records, cortical earthquakes tend to produce the highest probabilities of slight damage due to the match between their high energy content at short periods and the low fundamental period of the bridges.