analisis sismico de puente peatonal 100m claro mexico.pdf

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valuación sísmica de un puente de 100 metros de longitud en condiciones de servicio Rafael Rojas R, José M. Jara y Hugo Hernández Facultad de Ingeniería Civil

Resumen Se determinó la respuesta analítica y con vibración ambiental ambiental de un puente peatonal locali loc alizad zado o en la ciu ciuda dad d de Mé Méxic xico, o, conla fin finali alida dad d de est estima imarr sus car caract acterí erísti sticas cas din dináámicas. mic as. Pa Para ra las me medic dicion iones es de vib vibrac ración ión am ambie bient ntal al de la est estruc ructur tura a se uti utiliz lizó ó un ace acelelerómetro digital de 12 canales, colocando los sensores en diferentes posiciones de la estructura estru ctura.. Los regis registros tros obte obtenido nidos s se proce procesaro saron n par para a dete determina rminarr desp desplaza lazamien mientos, tos, veloci vel ocida dades des,, ace aceler leraci acion ones es y esp espect ectros ros de Fou Fourie rierr. A pa parti rtirr de est estos os últ último imos s se de deter ter-minaron las frecuencias naturales de vibración. Finalmente, se estudió el comportamiento mie nto sís sísmic mico o de dell pu puen ente te en con condic dicion iones es de ser servic vicio, io, al som somete eterlo rlo a cua cuatro tro reg regist istros ros sísmicos obtenidos en una estación cercana a la ubicación de la estructura.

Abstract The analytical and ambient vibration testing of a pedestrian bridge in Mexico City are presented as methods of measuring the dynamic characteristics. The ambient vibration was carried out using a digital recorder with twelve accelerometers place in different locations of the structure. The records were processed to obtain displacements, velocitie velo cities, s, acce accelera leration tions s and Four Fourier ier spec spectra. tra. Base Based d on thes these e resu results, lts, natu natural ral freq frequen uen-cies cie s of vib vibrat ration ion wer were e ass assess essed ed.. Fin Finall ally y, the op opera eratio tiona nall sei seismi smic c be behav havior ior of the bri bridg dge e Ciencia Nicolaita No. 51

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Evaluación sísmica de un puente ...

was studied, by the use of four seismic signals recorded in a station close to the bridge location.

Introducción La identificación de sistemas como una herramienta valiosa en la ingeniería sísmica, nos permite evaluar las propiedades dinámicas de los sistemas estructurales a partir de mediciones físicas con vibración ambiental realizadas en los mismos. La estimación se hace mediante equipos de alta sensitividad que registran aceleraciones en una estructura producto de la vibración existente en el medio ambiente. El propósito de este trabajo es evaluar la respuesta sísmica de un puente peatonal importante en condiciones de servicio. Para ello, se utilizó un modelo analítico y se hicieron mediciones con vibración ambiental de la estructura, ubicada en la calzada Zaragoza del Distrito Federal (figura 1), con la finalidad de identificar las propiedades dinámicas. Las características dinámicas del puente peatonal en estudio se determinan a partir de los espectros de amplitudes de Fourier, que fueron obtenidos utilizando el programa de MATLAB. Posteriormente, se hace la comparación con un modelo analítico del puente en estudio, y finalmente, habiendo calibrado el modelo se somete a cuatro acelerogramas de temblores reales. El puente se eligió considerando que su longitud total es de 100 m. El sistema estructural es simple y simétrico, lo que facilita la comparación de los resultados analíticos con los de las mediciones.

Figura 1. Puente en estudio.

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Modelos estructurales analizados Características de la estructura El puente peatonal en estudio está compuesto por losacero de 10 cm de espesor, apoyada en dos vigas contínuas de acero de sección transversal variable en cajón de tres claros de 32.5 m cada uno, apoyadas en cuatro pilas de concreto de sección transversal rectangular de 1.2 x 3.0 m con alturas diferentes como se aprecia enla figura 1. En los extremos cuenta con dos escaleras de concreto simétricas de 1.2 x 10.9 m. Cabe hacer notar que no existen diafragmas que liguen las vigas contínuas (figura 2).

Figura 2. Vista inferior del puente en estudio.

Modelo analítico de la estructura Para realizar el estudio analítico, se utilizó el programa de análisis no linear SAP2000. Se elaboró un modelo elástico tridimensional con elementos finitos isoparamétricos de cuatro nodos para definir las vigas y la losa; para las pilas y las rampas de las escaleras se utilizan elementos barra. Una vez realizado el análisis dinámico se obtuvo que los modos uno y dos son de flexión con periodos de 0.46 y 0.44 s, respectivamente; los modos tres y cuatro son de flexión acoplados con traslación longitudinal con periodos de 0.26 y 0.16 s, respectivamente y el Ciencia Nicolaita No. 51

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Figura 3. Cinco primeros modos de vibrar del puente.

quinto modo resulta de traslación transversal con un periodo de 0.15 s. En la figura 3 se muestran los 5 primeros modos de vibrar del puente.

Medición con vibración ambiental Equipo utilizado para la medición Se utilizó una consola K2 marca Kinemetrics de 12 canales, nueve sensores de balance uniaxial y un sensor triaxial de la misma marca, montados en placas de aluminio de 2.54 x 35 x 35 centímetros. Julio de 2009

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Características de las mediciones realizadas y procesamiento de la información Se efectuaron 3 mediciones de ocho minutos cada una colocando el sensor triaxial en el extremo sur del puente (canales 1, 2 y 3) y sensores uniaxiales en tres direcciones a un sexto, a untercio y a unmediodel claro comose indica enla figura 4. Seobservaquelos canales 1, 4, 7 y 10 corresponden a la dirección longitudinal; los canales 2, 5, 8 y 11 a la dirección transversal y los canales 3, 6, 9 y 12 a la dirección vertical.

Figura 4. Ubicación de los sensores.

Las señales registradas con vibración ambiental se procesaron para obtener espectros de amplitudes de Fourier entodos los canales. Enlas figura 5 a 16se presentael promedio de los espectros de amplitudes para las tres direcciones.

Figura 5. Espectro de amplitudes canal 3..


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Figura 6 . Espectro de amplitudes canal 6.

Figura 7. Espectro de amplitudes canal 9.


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Figura 15 . Espectro de amplitudes canal 8.


Análisis de los resultados Los espectros de amplitudes de Fourier se obtienen con base en las señales registradas en las mediciones. En el eje de las abscisas se grafica la frecuencia en radianes/segundo y en el eje de las ordenadas la amplitud del espectro de Fourier. En la figura 5 se muestra el espectro de amplitudes de Fourier correspondiente al sensor 3. Es notorio que aparecen tres frecuencias con contenidos energéticos importantes, las frecuencias de 13.5, 17.06 y la 23.4 rad/s que corresponden a losperiodos de 0.47, 0. 37 y 0.26 respectivamente. Al comparar con los resultados del modelo analítico, se observa que el primer y el tercer periodo son prácticamente los mismos y no así con el segundo que es ligeramente menor al obtenido conla mediciónambiental. En los espectros de amplitudes de los canales 6, 9 y 12 (figuras 6, 7 y 8 respectivamente) se pueden corroborar estas frecuencias observando un corrimiento de la frecuencia del tercer modo de 23.4 a 25.4 rad/s. En los espectros de amplitudes para los canales 1, 4, 7 y 10 (figuras de 9 a 12 respectivamente) se observancontenidos energétiCiencia Nicolaita No. 51

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cos importantes para las mismas frecuencias que en los espectros anteriores, sin embargo era de esperarseque apareciera un contenidoenergético alto parauna frecuencia alrededor entre 30 y 40 rad/s que correspondería al cuarto modo. En el espectro de amplitudes del canal 2 (figura 13) se aprecian contenidos energéticos importantes para las frecuencias de 13.5, 17.06, 23.4, 30.76 y 35.3 que corresponden a los periodos de 0.47, 0.37, 0.27, 0.20 y 0.18 respectivamente, los cuales se pueden asociar con los cinco primeros modos de vibrar del puente. En los espectros de amplitudes para los canales 5 y 8 (figuras 14 y 15) se observan las mismas frecuencias.

Figura 17. Acelerogramas de lostemblores del25 de abril de 1998 (izquierda) y 14 de septiembre de 1995 (derecha), registrados en la estación CETIS 57 de la ciudad de México.

Comportamiento sísmico en condiciones de servicio Registros sísmicos Una vez comprobado que el modelo analítico predice adecuadamente los resultados de las mediciones de vibración ambiental, el puente fue sometido a cuatro acelerogramas correspondientes a cuatro diferentes eventos sísmicos, característicos de los movimientos que con frecuencia se presentan en el sitio donde se ubica la estructura. La estación donde se registraron estos eventos corresponde a la red que administra el Centro de Investigación y Registros Sísmicos A.C. (CIRES) en su estación CETIS 57 quese localiza en la esquina de las calles Tepalcates y Verduzco en la colonia Ejército Constitucionalista de Iztapalapa. Los eventos sísmicos corresponden a los temblores del 14 de septiembre de 1995 (Mb=7.2), 25 de abril de 1998 (Ms=6.9), 15 de junio de 1999(Mc=5.4) y 30 deseptiembre de 1999 (Mb=6.5). Las figuras 17 y 18 muestran los acelerogramas utilizados, en donde el eje Julio de 2009

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Figura 18. Acelerogramas de lostemblores del15 de junio y 30 de septiembre de 1999, registrados en la estación CETIS57 de la ciudad de México.

de las ordenadas es la aceleración en cm/s 2 y el eje de las abscisas es el tiempo en segundos. Los espectros de respuesta de seudoaceleración de estas señales sísmicas se muestran en las figuras 19 a 20. Se grafica en el eje de las ordenadas la seudoaceleración en cm/s2 y en el eje de la abscisas el periodo en segundos. Se observa claramente en los registros utilizados que el periodo dominante del sitio se encuentra alrededor de 1.5 segundos. De acuerdo con las propiedades dinámicas del puente en estudio no se esperarían

Figura 19. Espectrosde respuestade lostemblores del25 de abril de 1998 (izquierda) y 14de septiembre de 1995 (derecha)registrados en la estación CETIS 57 de la ciudad de México.


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amplificaciones importantes del movimiento. Los espectros muestran también que los movimientos del terreno tienen contenidos energéticos importantes en una zona de periodos mayores que 3.0 segundos, efecto ya observado en otros sitios de la ciudad de México.

Figura 20. Espectrode respuestade lostemblores del15 de junio y 30 de septiembre de 1999 registrados en la estación CETIS 57 de la ciudad de México.

En general, las pilas del puente experimentan desplazamientos muy pequeños, menores queun milímetro, asociados conla poca masa del puente, cuando sonsometidas a los eventos sísmicos anteriores. En las figuras 21 a 24 se muestran los desplazamientos en el tiempo del nudo superior de una de las pilas intermedias del puente en la dirección longitudinal, para la mayor componente horizontal combinada con la componente vertical del movimiento. Se muestran los desplazamientos en centímetros en el eje de las ordenadas y el tiempo, en segundos, en el eje de las abscisas. Es claro que los desplazamientos son lo suficientemente pequeños para originar un comportamiento completamente elástico de las pilas.

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Figura 21 . Desplazamientos del extremo su perior de la pila central para el temblor del 25 de abril de 1995.

Figura 22. Desplazamientos del extremo su perior de la pila central para el temblor del 14 de septiembre de 1995.

Figura 23. Desplazamientos del extremo su perior de la pila central para el temblor del 15 de junio de 1999.


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Figura 24 . Desplazamientos del extremo su per ior de pil a cen tr al para el temblor del 15 de junio de 1999.

Dado que los primeros modos de vibrar del puente son de flexión en el tablero, se determinó también la magnitud de los desplazamientos verticales de un nudo localizado en el centro de uno de los claros del puente. Las figuras 25 a 28 muestran la historia de desplazamientos del nudo 152 ubicado en esta zona delpuente,cuando la estructura es sometida a la mayor componente horizontal de los registros combinada con la componente vertical. Como se observa, aunque los desplazamientos son ligeramente mayores quelos anteriores, no se presenta en ninguno de los casos deformaciones importantes que requieran una mayor evaluación del comportamiento de las trabes de acero del puente. Estos resultados muestran que para condiciones de servicio del puente, los temblores que con frecuencia ocurren en la ciudad de México producen demandas pequeñas en la estructura, por lo que se espera un buen comportamiento del puente ante estas solicitaciones.

Figura 25. Desplazamientos verticales del tablero en zona central de un claro del puente para el temblor del 25 de abril de 1995.

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Figura 26 . Desplazamientos verticalesdel ta blero en zona central de un claro del puente para el temblor del 14 de septiembre de 1995.

Figura 27. Desplazamientos verticales del tablero en zona central de un claro del puente para el temblor del 15 de junio de 1999.

Figura 28. Desplazamientos verticales del tablero en zona central de un claro del puente para el temblor del 30 de septiembre de 1999.


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Conclusiones Se estimó la respuesta sísmica en condiciones de servicio, de un puente peatonal de 100 metros de longitud ubicado en la ciudad de México sobre terreno flexible con periodo fundamental de 1.5 segundos. El puente analizado es uno de seis que permiten el paso peatonal de sur a norte en la Calzada Zaragoza. Estos puentes son importantes principalmente por su uso, ya que son los únicos que permitenel cruce de la calzada enmás de6 km; la po sible falla de alguno de estos puentes obstaculizaría completamente el servicio de la línea A del Metro que transporta diariamente miles de usuarios, sin mencionar la posibilidad de una tragedia mayor, en caso de quefallaranen el momento que pasara el metro ligeropor debajo de uno de ellos. Se determinaron inicialmente las propiedades dinámicas del puente con base en mediciones de vibración ambiental y en un modelo analítico. Ambos resultados concuerdan satisfactoriamente, por lo que el modelo analítico fue utilizado posteriormente para determinar la respuesta sísmica esperada en condiciones de servicio. Los resultados muestran también la factibilidad del uso de mediciones de vibración ambiental como una herramienta muy útil para determinar las propiedades dinámicas de una estructura, con base en la obtención de los espectros de amplitudes de Fourier. Se eligieron finalmente cuatro acelerogramas correspondientes a temblores de los que frecuentemente originan movimientos del terreno en la ciudad de México, registrados cerca del puente en estudio. No obstante que los temblores elegidos son eventos con magnitud importante para condiciones de servicio, la respuesta sísmica obtenida y evaluada como función de la demanda de desplazamientos en el puente, fue pequeña, por lo que se concluye que su comportamiento esperado ante este tipo de temblores es satisfactorio.

Reconocimientos Se agradece el financiamiento de la Coordinación de Investigación Científica de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, que permitió realizar parte del estudio presentado.

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Tesorería de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Fotografía del Sr. Roberto Barriga Pérez.

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