ANÁLISIS DE DAÑOS Y VULNERABILIDADES DE PUENTES SOMETIDOS A ACCIÓN SÍSMICA SEVERA
Los daños sísmicos, son divididos en dos categorías: Da ñ o Pr i m ar io : causado por la deformación y sacudimiento sísmico de la tierra (ondas superficiales).
Dañ Da ñ o Sec Se c u n d ar io : causado por fallas estructurales en otras partes del puente y que desencadenan una redistribución de las acciones internas
para las cuales la estructura no fue diseñada.
A.- Efectos de las propie piedades del sitio
Presen cia de un a falla geo lógic a activ a cerc ana
Se prod produc ucen en gran grande des s veloc velocida idade des, s, desp despla lazam zamie ient ntos os y acele acelera raci cion ones es,, tanto tanto verticales como horizontales, las que imponen grandes demandas de defo deform rmac ació ión n en la estr estruc uctu tura ra.. Impo Imposi sibl ble e sopo soport rtar ar.. Fall Falla a emin eminen ente te..
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Terre erremo moto to de Izmi Izmitt (Koc (Kocae aeli li)) en Turqu urquía ía 19 1999 99 Causa del colapso: la ruptura de las falla geológica pasa directamente por debajo de la estructura. En la foto se observa un efec efecto to domi dominó nó..
Falla horizontal derecha
Puente Arifiye
Terre erremo moto to de ChiChi-Ch Chii en Taiwá aiwán n 19 1999 99 Colapso sólo de los tramos adyacente a la falla, como se puede obse observ rvar ar en el puen puente te BeiBei-fe feng ng
Falla vertical normal
Puente Bei – feng – feng
B.- Efecto de las propiedades del suelo sobre la magnitud y d esp lazam ien to de las on d as sísm icas :
Los estratos de suelo blando o rellenos jóvenes tienden a amplificar la intensidad del movimiento y la deformación de la tierra, así como también, la variabilidad, espacio –temporal, de las ondas sísmicas a lo largo de un puente, aumentando su vulnerabilidad a la degradación progresiva de sus capacidades sismorresistentes. Este fenómeno es observable en puentes largos como ocurre con los puentes sobre el río Bío-Bío
Puente de la Bahía
Viaducto Cypress
El puente de la bahía sufrió el colapso de uno de sus tramos, al fallar por corte los 8 pernos de fijación de la placa de apoyo de la viga cercha sobre la pila rígida, debido a las fuertes y violentas sacudidas, y al no–sincronismo del movimiento del puente por ser una estructura demasiado larga
Terremoto de Loma Prieta en 1989 Los puentes con daño severo y de mayor magnitud, se concentraron en el perímetro o dentro de la Bahía de San Francisco, donde los depósitos de suelos blandos y relativamente profundos amplificaron el movimiento de la tierra en el lecho rocoso. La parte colapsada del “Viaducto Cypress”, 49 secciones de 118, coincidió con las zonas de rellenos artificiales. Al estar fundado en suelo débil, la estructura amplificó el movimiento por resonancia debido a la coincidencia del periodo natural con la frecuencia impuesta por el movimiento.
Suelos susceptibles de sufrir licuefacción:
La licuefacción y el desplazamiento lateral de la tierra generan una alta inestabilidad en las subestructuras desplazándolas o volcándolas, debido a la pérdida de resistencia horizontal y vertical, de los pilotes y fundaciones, y por el subsecuente aumento de las cargas sísmicas laterales. Este fenómeno incrementa la vulnerabilidad de las superestructuras a la pérdida de soporte.
Durante el terremoto de Kobe en 1995, un tramo de aproximación al puente Nishinomiya-ko, colapsó debido al desplazamiento permanente de las pilas de soporte y a la falla de los apoyos, ocasionado por la licuefacción de los suelos de fundación.
Este puente, ubicado dentro de la bahía de Osaka, fue fundado sobre terrazas de arena y grava (depósitos aluviales) sobrepuestos en depósitos de fango, arena y grava de profundidad inferior a 10m. Estas condiciones de suelo provocan la amplificación de los movimientos de los estratos rocosos, aumentando el riesgo de licuefacción de los estratos blandos superiores. La licuefacción se detecta por la aparición de grietas y por asentamiento del suelo de fundación igual o superior a los 15cm. En el primer plano de la fotografía se pueden apreciar la grietas por licuefacción.
Efectos de los cambios en la condición: Los cambios en la condición de un puente pueden afectar su funcionamiento sísmico. Causas (1) las construcciones han acumulado fatiga y degradación de sus materiales o han sido sometidas a innumerables sismos de menor cuantía con daño estructural no –visible o a cargas de servicio superiores a las de diseño, con el consiguiente deterioro de su capacidad sismorresistente, esto incluye a la subestructura, los apoyos y la superestructura. (2) las modificaciones de la estructura original, durante la construcción o durante la vida de servicio, las cuales se pueden evitar con inspecciones periódicas durante la construcción y durante la vida de servicio del puente.
En el puente “Bull Creek Canyon Channel” las columnas de una de las pilas del puente fueron restringidas involuntariamente por una pared de hormigón armado del canal que pasa bajo el puente.
La pared acortó la longitud efectiva de las columnas, aumentó la fuerza de cortante de las columnas, y cambió la respuesta no– lineal desde una zona de gran confinamiento, hacia arriba, a una zona de refuerzo transversal ligero, donde la capacidad de ductilidad era inadecuada. En la figura 2.4 se ilustra el daño sufrido por las columnas en el terremoto de Northridge en 1994.
Efectos de la configuración estructural: En una estructura regular es más fácil predecir el comportamiento sísmico, y controlar los mecanismos de disipación inelástica de energía a través de sus componentes. La irregularidad de los puentes la impone: (1) el obstáculo que se desea salvar; (2) la topografía del lugar; (3) el uso del puente; y (4) los requisitos de la circulación. En teoría, cualquier estructura de puente puede ser configurada para resistir las fuerzas sísmicas inducidas y las demandas de deformación, sin embargo, los puentes irregulares tienden a ser más vulnerables que los regulares. La experiencia indica que un puente, probablemente, sea más vulnerable sí: las demandas excesivas de la deformación ocurren en algunos elementos frágiles, la configuración estructural es compleja, o el puente carece de redundancia. Las principales irregularidades y sus consecuencias se exponen a continuación:
a).- Columnas de distinta longitud. En los puentes con pilas de diferente altura, las demandas de deformación son altamente irregulares. Debido a la diferencia de rigidez, las tensiones más grandes se imponen ante las columnas más cortas, haciendo que la pila, sobre todo en las monocolumna, sea sometida a una alta demanda de deformación dúctil.
Como la pila carece de ductilidad debido a su alto grado de rigidez y poca altura, tendrá altas probabilidades de fallar por cortante antes que fallar por flexión, produciéndose así la falla frágil. La falla repentina de una pila puede producir el colapso total del puente, o por lo menos el colapso de los tramos adyacentes.
Pila 2
1 Pila 3
2
3
Separation and Overhead
Pila 2
North Connector Overcrossing
Durante el sismo de Northridge en 1994, la columna corta de la pila 2 del puente “SR 14/I –5 Separation and Overhead ” falló por cortante debido a las grandes demandas de deformación en la columna, dando por resultado el colapso de los tramos adyacentes.
La columna yace completamente aplastada por la cubierta 1 y 2. En el mismo sismo y en el mismo intercambiador el puente “SR 14 / I –5 North Connector Overcrossing ” también colapsó. A pesar de que la secuencia de falla es incierta, lo más probable es que se halla iniciado en la pila 2 seguido del colapso de los dos tramos adyacentes. Es posible que la pila 2 tomase una mayor proporción de carga lateral que la asumida en el diseño dado su relativa corta altura. Route 14/5 Separation and Overhead”
Puentes con tramos largos y puentes largos. Tanto en los puentes con tramos largos como en los puentes largos se producen los siguientes inconvenientes: (1) cambios en el subsuelo, generando irregularidad estructural por el uso de fundaciones complejas y de diferente tipo; y (2) variaciones temporales y espaciales en el movimiento de la tierra, a lo largo del puente, debido al viaje de la onda y a los fenómenos de refracción.
En los puentes de múltiples tramos simplemente apoyados y de gran longitud total, el fenómeno más frecuente es el no sincronismo del movimiento sísmico, y por ende la variación de las solicitaciones en los diferentes apoyos del puente, tanto en fuerza como en desplazamiento. Este efecto puede hacer que secciones adyacentes a una junta de expansión estén siendo desplazadas en direcciones opuestas o sometidas a desplazamientos diferenciales, lo que puede generar la caída de los tramos por pérdida de soporte, la falla de los apoyos, o bien, la falla de las fijaciones entre apoyos y subestructura. –
Pérdidas de apoyo en las juntas de expansión: Las juntas de expansión introducen una irregularidad estructural que contribuye a la respuesta sísmica inelástica del puente. Se diseñan para aliviar las tensiones asociadas a los cambios de volumen que ocurren cuando un puente envejece y cuando se producen cambios de temperatura.
Estas juntas pueden estar dentro de un tramo (articulación interna), o pueden estar en los soportes, como ocurre en el caso de los puentes simplemente soportados. La longitud mínima del ancho de apoyo necesario en la junta se obtiene de fórmulas empíricas dispuestas en los códigos sísmicos. La tendencia actual del diseño es a eliminar las juntas o reducirlas al mínimo usando superestructuras continuas.
Puentes con los bancos de apoyo demasiado cortos y con tramos simples: Causas Longitudes de ancho de apoyo inadecuadas. Ausencia de dispositivos de restricción de desplazamiento
Efectos Colapso de puentes isoestáticos por desbancamiento de la superestructura. Durante un fuerte sismo, la superestructura tiende a desplazarse junto a la subestructura, pero si no existen los mecanismos de restricción necesarios para evitar el desplazamiento relativo entre estas dos componentes del puente, o bien, si estos mecanismos existen pero han fallado, la responsabilidad de mantener la integridad del puente recaerá en los anchos de apoyo.
Pedestal de apoyo
Puente sobre el Río Chirripó
Durante el terremoto de Limón en 1991, en Costa Rica, la extensa licuefacción condujo a la rotación de estribos y de pilas, dando como resultado el colapso de varios puentes que estaban simplemente soportados.
El puente sobre el Río Chirripó sufrió el colapso del primer tramo, en la rivera Este, debido a las dimensiones muy reducidas del ancho de apoyo en la pila que proveía el soporte. En contraste, la superestructura principal tuvo un comportamiento aceptable debido a su continuidad. La continuidad permitió preservar la integridad estructural del sistema, evitando el colapso total del puente.
Puentes Sesgados: La colisión entre los estribos y la superestructura de un puente con esviaje hace que ésta última rote en su plano horizontal hacia donde disminuye el esviaje.
Debido a que el estribo resiste la compresión pero no la tracción, el sentido de la rotación siempre es el mismo y es acumulativo. Si las rotaciones son grandes y las longitudes de los asientos pequeñas, un puente puede perder su apoyo en las esquinas agudas de la cubierta.
Puente del Río Bananito, en el cual el puente y la pila central tenían un ángulo de esviaje de 30°, perdió ambos tramos adyacentes a la pila central en la dirección del esviaje durante el terremoto de Limón en Costa Rica en 1991. En la fotografía se aprecia como ambas cubiertas rotaron en el mismo sentido hasta salirse de sus asientos de apoyo y precipitarse al río.
Puentes Curvos: Los puentes curvos pueden tener respuesta asimétrica similar a la de puentes con esviaje. Se generan fuerzas sísmicas horizontales en el sentido longitudinal las que se suman a las cargas laterales sometiendo a la estructura a torsión sísmica. Causa No coincidencia del centro de masa de la superestructura con el centro de rigidez de la subestructura, Efecto Desplazamiento rotacional durante los sismos. En superestructuras de alineamiento curvo las discontinuidades causadas por las articulaciones internas o juntas de expansión crean puntos de giro, haciendo a la estructura más susceptible a grandes deflexiones laterales y a desarrollar grandes movimientos diferenciales. Si los anchos de apoyos son inadecuados, la superestructura pierde soporte y se precipita a tierra. En los puentes curvos se debe proveer mayores longitudes de anchos de apoyo en las juntas, para reducir su vulnerabilidad.
Un ejemplo, en el cual la alineación curva pudo haber contribuido al colapso del puente es el “Intercambiador I-5/210” que colapsó en el terremoto de San Fernando, en la fotografía se señala, mediante línea segmentada, el trazado original del eje del puente. Otros ejemplos, son las rampas curvadas del intercambiador I5/SR14, que sufrió colapsos tanto en el terremoto de San Fernando (1971) como en el terremoto de Northridge (1994).
Daños a las Superestructuras: El daño de la superestructura rara vez es la causa directa del derrumbamiento de los tramos de un puente, es un daño secundario provocado por el colapso de otros elementos del puentes como por ejemplo la falla de los apoyos o de la subestructura.
En superestructuras de hormigón armado, un daño directo es el resquebrajamiento del hormigón y el agrietamiento debido al golpeteo que se produce entre las partes adyacentes durante los sismos En superestructuras en base a vigas de acero, el daño más común es el pandeo local de los perfiles metálicos cruzados, usados como diafragma vertical transversal entre las vigas principales del puente.
Un caso muy particular de daño indirecto a la superestructura es el caso del puente Struve Slough, colapsado durante el terremoto de Northridge. Las pilas estaban formadas por cuatro “columnas-pilotes” unidas rígidamente a una viga cabezal, la que actuaba como diafragma transversal.
Las pilas y el tablero, formado por una losa y cuatro vigas T, estaban unidas monolíticamente. Durante el sismo, las columnaspilotes fallaron por cortante en la parte superior, debido al gran desplazamiento lateral impuesto en la base y al escaso confinamiento de la unión. Las columnas –pilotes totalmente cortadas y que estaban sobre suelo firme provocaron un esfuerzo punzante sobre el tablero de la superestructura debido a su esbeltez atravesando la losa del puente.
Daños a los apoyos: El daño de apoyos puede ser primario o secundario. El primario corresponde a la falla por resistencia del apoyo mismo dejando de cumplir sus funciones. El secundario aparece cuando se produce una falla estructural, en cualquier parte del puente, produciéndose una redistribución de las cargas sísmicas sometiendo a los apoyos a solicitaciones para las cuales no fueron diseñados.
Daños más frecuentes (1).- Daño directo del apoyo por ser sometido a cargas o desplazamientos que superan su capacidad. Los apoyos se diseñan para soportar la superestructura y las cargas de servicio y para restringir los desplazamientos en sentido vertical y transversal, y en algunos casos en sentido longitudinal (apoyo fijo). La mayoría provee una unión articulada con la superestructura. Cuando son sometidos a fuertes sacudidas sísmicas los dispositivos fallan por cortante, por desacoplamiento sísmico entre sus partes, por falla del mecanismo de conexión con la pila o la viga (pernos de anclaje cortados, arrancados o doblados hasta la fluencia), y por volcamiento, en especial los apoyos metálicos tipo balancín o los demasiados altos. Los apoyos más vulnerables son los apoyos metálicos fijos tradicionales por su poca capacidad para absorber movimientos relativos tanto verticales como horizontales.
(2).- Daño por deformación y desplazamiento de los apoyos elastoméricos. Las almohadillas de neopreno no suministra impedimento alguno al desplazamiento de la superestructura y basan su resistencia en la capacidad de deformación.
El daño y la posterior falla de los apoyos tiene su lado bueno. La falla prematura de algunos apoyos parece reducir las cargas sísmicas en los soportes de la subestructura, debido al desacoplamiento de la superestructura de sus asientos, protegiéndola de daños mayores y previniendo así el colapso
Daños típicos en apoyos de vigas de acero en el terremoto de Limón en 1991.
Daños a las subestructuras: Las Columnas: En columnas de hormigón armado, el detallado insuficiente puede producir fallas por flexión, por cortante, por empalme o anclaje, o una falla que combina varios mecanismos.
En columnas de acero, el pandeo local ha sido sindicado como el principal conductor al colapso progresivo de la columna. Otra causa de falla de las columnas es el confinamiento insuficiente del hormigón del núcleo debido, principalmente, a: (1) escaso refuerzo transversal, (2) mal o inexistente anclaje de los extremos de éste, (3) muy delgado, o (4) muy espaciado. Sólo en algunos casos, el insuficiente confinamiento se ha debido a escaso refuerzo longitudinal. El colapso por baja ductilidad flexional de las columnas de los puentes es una falla, recurrente e incansablemente repetida, que se ha podido observar en todos los terremotos estudiados.
Una práctica muy común en Japón, era la de terminar parte del refuerzo longitudinal dentro de la altura de la columna. Al terminar bruscamente parte del refuerzo longitudinal se creaba una sección débil, la que podía conducir a una falla por fractura a lo largo de las barras terminadas, o a la fatiga flexional o por cortante cerca del punto de recorte durante un sismo severo.
En la ruta 3 de la autopista Hanshin Expressway que colapsó durante el acortamiento de un tercio del refuerzo principal fue acompañado por el soplete para dar continuidad a las barras de refuerzo longitudinal. Durante no estaban dañadas fallaron en el empalme debido a que la soldadura esfuerzos de tracción.
terremoto de 1995 en Kobe, el uso de empalmes soldados con el terremoto muchas barras que no fue capaz de transmitir los
Una c o l u m n a d e h o r m i g ó n también puede fallar si el anclaje del refuerzo longitudinal es inadecuado.
Columna que falló en su base durante el terremoto de 1971 en San Fernando. La columna había sido apoyada sobre un solo pilote, de 1.8m de diámetro, hormigonado contra suelo.
La falla a cortante de una colum na de horm igón -falla Frágil y Repentina - que puede ocurrir con desplazamientos estructurales muy bajos, o bien, ocurrir después de una falla flexional debido a que la resistencia al corte se degrada con los ciclos inelásticos de carga.
Falla por cortante de las columnas de la Pila. Las columnas fallaron a media altura por cortante debido al ligero refuerzo transversal de confinamiento de la columna.
Foto izquierda se aprecia falla por cortante de una columna iniciada por la falla del empalme soldado del refuerzo longitudinal, como se aprecia en la parte superior de la grieta. Foto de la derecha se aprecia falla por cortante originada por insuficiente refuerzo transversal.
Bajo la acción de varios ciclos de deformación combinados con cargas verticales, una columna puede degradarse hasta casi perder por completo su capacidad para soportar cargas
Foto izquierda: un detalle arquitectónico, el acampanamiento de la parte superior de la columna, consolidó la parte superior de ésta forzando a la deformación flexional a ocurrir más abajo de lo que fue pensada originalmente durante el diseño. En este caso, un elemento que no fue considerado en el diseño de la columna, forzó a la falla a ocurrir en una porción de la columna, pobremente confinada, que fue incapaz de resistir la fuerza y la deformación demandada. Foto derecha: Falla de columna por formación de rótula plástica, seguida por la desintegración de la columna, falla del refuerzo transversal, encorvamiento y fluencia del refuerzo vertical, y pérdida de altura por compresión.
C o l u m n a s d e a c e r o , los daños sísmicos más frecuente son:
(1) el pandeo local en las alas y almas de las columnas rectangulares debido a escasez de elementos rigidizadores; (2) fractura de las costuras soldadas; (3) rasgadura del acero cercano a los pandeos; (4) pandeo o flexión lateral en c olumnas circulares, ubicada en los lugares de cambio de sección de la columna; y (5) deformación plástica de acero posterior a la falla por pandeo.
La fotografía muestra la falla por pandeo local acompañada por una visible deformación plástica de las columnas de acero, de sección circular.
Los Estribos: Fallas Una práctica común ha sido tratar los estribos o los componentes del estribo como elementos “de sacrificio”, actuando como fusibles para mitigar las grandes fuerzas sísmicas que están llegando al estribo.
En estribos tipo “asiento”, la junta entre el espaldar del estribo y la superestructura permite movimiento longitudinal es libre, reduce las fuerzas en la superestructura inducidas por los desplazamientos debido a la temperatura y a la retracción. Falla más común: pérdida de apoyo del tramo atribuibles al desplazamiento o rotación del estribo, usualmente, resultante de la licuefacción y el desplazamiento lateral del suelo portante. Los bloques de cortante: estos elementos son pequeños y robustos, es casi imposible hacerlos dúctiles, y fallarán si su resistencia es excedida. En los estribos tipo asiento, el daño también ha ocurrido en los apoyos del estribo debido al golpeteo de la pared frontal con la superestructura En estructuras monolíticas el estribo puede ser dañado con los desplazamientos de la superestructura en la dirección longitudinal fuera del estribo.
Daños típicos en los estribos. Volcamiento por licuefacción del suelo portante, por desplazamiento lateral del terreno o por fuerte golpe inducido por el movimiento de la superestructura. Generalmente, este volcamiento va acompañado por la falla de los pilotes por fractura.
