Performance-based design of a continuous prestressed concrete bridge in seismic zone integrating life-cycle costs and carbon emissions

Abstract

En aquest estudi s'aplica una metodologia d’optimització basada en criteris prestacionals a un pont continu pretesat, considerant també aspectes de la sostenibilitat i el cost, alhora que es garanteix la durabilitat i la seguretat en condicions d'ús normal i risc sísmic. S'investiguen els possibles beneficis de les solucions de pretensat total i parcial a través d'una anàlisi de cicle de vida (LCA) en termes de cost i impacte mediambiental. Es pren com a referència un cas real de disseny, consistent en un pont continu de formigó totalment pretesat i diferents fases de construcció. Mitjançant la tecnologia del formigó parcialment pretesat, s'optimitza l'estructura de referència en base a criteris de reducció de la mida de la secció transversal, de reducció de 'armadura activa o bé de totes dues. Es duu a terme una optimització del disseny basat en prestacions, investigant diferents combinacions de secció transversal i armadura activa. Es consideren dissenys sísmics alternatius utilitzant un rang de factors de comportament per als pilars, des del màxim recomanat a l'actual Eurocodi 8 (q=2.86) fins a essencialment elàstic (q=1.5). El comportament sísmic i els danys es van avaluar a la fase de disseny mitjançant un procediment estàtic no lineal, per determinar el cost sísmic anual previst. Es va fer una anàlisi dinàmica no lineal de la història temporal del disseny optimitzat per verificar l'adequació del comportament sísmic. Es duu a terme una avaluació del cicle de vida (LCA) de les diferents alternatives de disseny per determinar la solució òptima, inclosos els costos i les emissions de CO2 des del bressol fins a la tomba, i la pèrdua sísmica anual esperada. Per al cas d'estudi investigat, la solució òptima s'assoleix amb una reducció de la secció transversal del 14% al tram central i del 8% als suports, i una resistència sísmica intermèdia, corresponent a un factor de comportament q=2.0. Els resultats de la integració del LCA en el disseny es comparen per tal d'extreure recomanacions per a l'aplicació pràctica del disseny basat en prestacions de ponts per millorar la sostenibilitat i l'eficiència econòmica, i se n'extreuen conclusions.

En el presente estudio se aplica el enfoque del diseño basado en las prestaciones (PBD) a un puente continúo pretensado desde las perspectivas de la sostenibilidad y el coste, al tiempo que se garantiza la durabilidad y la seguridad en condiciones de uso normal y bajo riesgo sísmico. Se investigan los posibles beneficios de las soluciones de pretensado total y parcial en a través de un análisis de ciclo de vida (LCA) en términos de coste e impacto medioambiental. Se toma como referencia un caso real de diseño, consistente en un puente continuo de hormigón totalmente pretensado y diferentes fases de construcción. Mediante la tecnología del hormigón parcialmente pretensado, se optimiza la estructura de referencia, permitiendo reducir el tamaño de la sección transversal, la armadura activa o ambas. Se lleva a cabo una optimización del diseño basado en prestaciones, investigando diferentes combinaciones de sección transversal y armadura activa. Se consideran diseños sísmicos alternativos utilizando un rango de factores de comportamiento para los pilares, desde el máximo recomendado en el actual Eurocódigo 8 (q=2.86) hasta esencialmente elástico (q=1.5). El comportamiento sísmico y los daños se evaluaron en la fase de diseño mediante un procedimiento estático no lineal, para determinar el coste sísmico anual previsto. Se realizó un análisis dinámico no lineal de la historia temporal del diseño optimizado para verificar la adecuación del comportamiento sísmico. Se lleva a cabo una evaluación del ciclo de vida (LCA) de las diferentes alternativas de diseño para determinar la solución óptima, incluidos los costes y las emisiones de CO2 desde la cuna a la tumba, y la pérdida sísmica anual esperada. Para el caso de estudio investigado, la solución óptima se alcanza con una reducción de la sección transversal del 14% en el vano central y del 8% en los apoyos, y una resistencia sísmica intermedia, correspondiente a un factor de comportamiento q=2.0. Los resultados de la integración del LCA en el diseño se comparan con el fin de extraer recomendaciones para la aplicación práctica del diseño basado en prestaciones de puentes para mejorar la sostenibilidad y la eficiencia económica, y se extraen conclusiones.

In this study, performance-based design (PBD) approach is applied to a prestressed continuous bridge from the sustainability and cost perspectives, while ensuring durability and safety under normal use and seismic hazard. The potential benefits of traditional totally and partially prestressed concrete are investigated through a Life Cycle Analysis (LCA) in terms of cost and environmental impact. A real design case, consisting of a continuous totally prestressed concrete bridge and different construction phases, is taken as reference. By means of partially prestressed concrete technology, the reference structure is optimized, allowing for reductions in the cross-section size, active reinforcement, or both. A PBD optimization is carried out by investigating different combinations of cross-section and active reinforcement. Alternative seismic designs were investigated using a range of behavior factor for the piers, from the maximum recommended in the current Eurocode 8 (q=2.86) to essentially elastic (q=1.5). The seismic performance and damage was assessed in the design phase using a non-linear static procedure, to determine the yearly expected seismic cost. A nonlinear time-history dynamic analysis was carried out, to the optimized design, to verify the adequacy of the seismic performance. A life cycle assessment (LCA) of the effects of the design alternatives is carried out to determine the optimal solution, including costs and CO2 emissions from cradle to grave, and the expected yearly seismic loss. For the investigated case-study, the optimal solution was achieved with a reduction of the cross-section of 14% in the center of the span and 8% in the supports, and a seismic strength corresponding to a behavior factor q=2.0. The results of the integration of LCA in the design are compared in order to derive recommendations for practical applications of performance-based design and partially prestressed concrete for improved sustainability and economic efficiency, and conclusions are drawn.