ANÁLISIS SÍSMICO DE PUENTES Ing. Samuel Miranda Farfán DAÑOS A PUENTES EN SISMOS RECIENTES: Fueron ocasionados por: • Las deflexiones sísmicas (por fuerzas laterales). • Debido a que los niveles de fuerza sísmica fueron menores, (relación de cargas de
gravedad a fuerza sísmica adoptada es incorrecta). • Los sistemas inelásticos bajo respuestas sísmicas severas no fueron consideradas en los procesos de diseño elástico. DESPLAZAMIENTOS SÍSMICOS Fallas en tramos de puentes debido a insuficiente longitud de apoyo. • Amplificación de desplazamientos debido a efectos de suelo. • Impacto en estructuras de puentes. • COLAPSO DE SUBESTRUCTURAS SUBESTRUCTURAS En suelos blandos y terraplenes (rellenos) incompletamente consolidados en la subestructura. FALLAS EN COLUMNAS
Esfuerzo flexional y fallas de ductilidad • • • • •
Esfuerzo flexional inadecuado. Bajo niveles de fuerza lateral sísmica. Esfuerzo flexional de columnas poco confiable. Ductilidad flexional inadecuada. Longitud y confinamiento inadecuados del reforzamiento de la columna Falla por corte en columnas
FALLAS EN NUDOS • La transferencia de las fuerzas en fuerzas de corte horizontal y vertical en los nudos
pueden ser muchas veces las fuerzas de corte de los elementos conectados. conectados. FALLAS EN CIMENTACIONES • Esfuerzo flexional de la cimentación (debido a la omisión común del Reforzamiento superior) que el refuerzo refuerzo por corte no fue • Esfuerzo de corte en la cimentación (debido a que previsto). • Esfuerzo de corte en la región inmediatamente inferior de la columna, la cual esta sujeta a altas fuerzas de corte. • Anclaje y longitudes de desarrollo del reforzamiento de columnas inadecuadas entre pilares de tensión y cimentación • Conexiones inadecuadas FALLAS DE COMPONENTES EN PUENTES DE ACERO horizontal y vertical en los • La transferencia de las fuerzas en fuerzas de corte nudos que podrían ser muchas veces las fuerzas de corte de los elementos conectados. FILOSOFÍA DEL DISEÑO SÍSMICO Un puente diseñado y construido debe ser capaz de:
•Resistir sismos pequeños a moderados (dentro del rango elástico). Sin sufrir daño
significativo. •Soportar efectos sísmicos del mismo orden de magnitud de los prescritos para
edificaciones corrientes en las normas sismo resistente, y cuando se vea afectado por movimientos sísmicos extremadamente fuertes no debe presentarse colapso del conjunto o de parte del puente. En donde sea posible el daño que ocurra por causa de un sismo extremadamente fuerte, debe ser detectable fácilmente y ocurrir en lugares accesibles para su inspección y reparación. FUERZAS SÍSMICAS Las fuerzas sísmicas tienen en cuenta las características de rigidez y ductilidad, las masas y la disipación de energía de la estructura Indica que las acciones sísmicas horizontales Actúan en cualquier dirección. CUANDO SÓLO SE REALICE EL ANÁLISIS EN DOS DIRECCIONES ORTOGONALES, LOS EFECTOS MÁXIMOS EN CADA ELEMENTO SERÁN ESTIMADOS COMO LA SUMA DE LOS VALORES ABSOLUTOS OBTENIDOS PARA EL 100% DE LA FUERZA SÍSMICA EN UNA DIRECCIÓN Y 30% DE LA FUERZA SÍSMICA EN DIRECCIÓN PERPENDICULAR. COEFICIENTE DE ACELERACIÓN El coeficiente de acelera ción “A” se determina del mapa del iso-aceleraciones con un 10% nivel de excedencia para 50 años de vida útil, equivalente a un periodo de recurrencia de aproximadamente 475 años. Deberán ser elaborados por profesionales calificados si existe una de las siguientes condiciones: El lugar se encuentra localizado cerca de una falla activa • Sismos de larga duración son esperados en la región. • La importancia del puente es tal que un largo periodo de exposición, así como periodo de retorno debería ser considerado. •
CATEGORIZACIÓN DE LAS ESTRUCTURAS Para los procedimientos mínimos de análisis, así como para determinar los coeficientes de modificación de la respuesta en distintos casos, los puentes se clasificarán en Tres categorías de importancia: Puentes críticos • Puentes esenciales, u • Otros puentes. • C ZONAS DE COMPORTAMIENTO SÍSMICO Cada puente de acuerdo con la tabal 1
Tabla 1 Coeficiente de Aceleración A <= 0.09 0.09 < A <= 0.19 0.019 < A<= 0.29 0.29 < A CONDICIONES LOCALES
ZonaSísmica 1 2 3 4
Se usaran los parámetros de la tabla 2 según el perfil de suelo obtenido de los estudios geotécnicos. Tabla 2 Coeficiente de Sitio S
Tipo de perfil de suelo I II III IV 1.0 1.2 1.5 2.0
COEFICIENTE DE RESPUESTA SÍSMICA A memos que sea especificado de otra manera el coeficiente de repuesta sísmica elástica csn Para el “n-esimo” modo de vibración deberá tomarse como: Csn= 1.2 AS/Tn2/3<=2.5A Tn=periodo de vibración del “n-ésimo” modo (s) A= Coeficiente de aceleración. S= Coeficiente de Sitio. EXCEPCIONES. Para puentes sobre perfiles de suelo tipo III o IV y en áreas donde el coeficiente A es >= a 0.30, Csn debe ser <= 2.0 A. Para suelos tipo III y IV, y para otros modos distintos al modo fundamental el cual tenga periodos menores a 0.3s, C sn deberá tomarse como: Csn= A (0.8+4.0 T ) n Sí el periodo de vibración para cualquier modo excede 4.0 s, el valor de Csn. para ese modo deberá tomarse como: Csn= 3AS Tn0.75
FACTORES DE MODIFICACIÓN DE RESPUESTA TABLA 3: Factores de Modificación de Respuesta R
Tabla 4: FACTORES DE MODIFICACIÓN DE RESPUESTA R
APLICACIONES • •
•
Las cargas sísmicas serán asumidas que actúan en cualquier dirección lateral El apropiado factor R de debe usar para ambos ejes ortogonales de la subestructura Un pilar tipo placa de concreto puede ser analizado como una columna simple en la dirección más débil si las disposiciones para columnas, como se especifica en el capítulo de diseño de estructuras de concreto, son satisfechas
DISPOSITIVOS DE RESTRICCIÓN LONGITUDINAL La fricción no deberá ser considerada en el diseño de este de tipo de dispositivos, serán diseñados para una fuerza calculada con el producto del coeficiente de aceleración con la carga permanente de la luz de los dos tramos adyacentes o parte de la estructura.
CARGAS SÍSMICAS PARA EL ANÁLISIS Puente de un solo tramo No se requiere análisis sísmico para puentes simplemente apoyados. Las conexiones entre superestructura de puentes y los estribos serán diseñados por los requisitos de fuerza mínima. Los anchos mínimos de cajuelas deberán ser satisfechos en cada estribo. Puentes de Varios Tramos
Selección del Método Para estructuras de varios tramos, los requisitos mínimos de análisis serán como se especifica en tabla 5; donde: • * = análisis sísmico no requerido • UL= método elástico de carga uniforme •
SM = método elástico para un solo modo
•
MN = método elástico multimodal
•
TH = método tiempo historia.
Tabla 5: Requisitos Mínimos de Análisis por Efectos Sísmicos
Para puentes simplemente apoyados no se requiere análisis sísmico MÉTODO ELÁSTICO DE CARGA UNIFORME Estará basado en el modo fundamental de vibración en la dirección longitudinal o la dirección transversal. El período de este modo de vibración será tomado como aquella oscilación de un sistema equivalente masa – resorte. La rigidez de este resorte equivalente será calculada usando el máximo desplazamiento que ocurre cuando una carga lateral uniforme es aplicada al puente. El coeficiente de respuesta elástica, csn será usado para calcular la carga sísmica uniforme equivalente, del cual los efectos de fuerza sísmica son encontradas.
MODO ESPECTRAL UNIMODAL El método espectral estará basado en los modos fundamentales de vibración en la dirección transversal o longitudinal. Las formas de modo pueden ser encontrados aplicando una carga horizontal a la estructura y calculando la forma deformada correspondiente. El periodo natural puede ser calculado igualando la energía máxima potencial y energía cinética asociada con la forma de modo fundamental. La amplitud de la forma desplazada puede ser encontrada a partir del coeficiente sísmico de respuesta elástica, Csn y el desplazamiento espectral correspondiente. Estas amplitudes serán usadas para determinar los efectos MÉTODO ESPECTRAL MULTIMODAL El método de análisis espectral multimodal será usado en aquellos puentes en los cuales ocurre acoplamiento en más de una de las tres direcciones de coordenadas en cada modo de vibración. Como mínimo, análisis dinámico lineal usando un modelo tridimensional para representar la estructura. El número de modos incluidos en el análisis debería ser al menos 3 veces el número de tramos en el modelo. El espectro de respuesta sísmica elástica será usado para cada modo. Los desplazamientos y las fuerzas de los miembros pueden ser estimados usando el método de la raíz los cuadrados (SRSS) de cada modo individual. MÉTODO TIEMPO – HISTORIA Cualquier análisis método tiempo – historia paso a paso usado para análisis elástico inelástico deberán satisfacer los requerimientos básicos de la dinámica estructural El tiempo historia de la aceleración de entrada para describir la carga de sismo será seleccionada en consulta con la autoridad respectiva. A menos que de otra manera sea especificado, cinco espectros tiempo historia serán usados cuando no se cuente con registros del sitio. El espectro usado para generar estos cinco registros tiempo historia serán los mismos como los usados para el análisis modal, modificado por las características del tipo de suelo. Los registros de aceleración de entrada deberán ser correctamente elegidos. Cuando no se dispongan de series históricas del sitio, cinco series históricas de sitios compatibles podrán usarse. REQUERIMIENTOS MÍNIMOS DE DESPLAZAMIENTOS El ancho de la cajuela será tomado como: N= (200+0.0017L+0.0067H)(1+0.000125S2).
Donde: N = longitud mínima (empírica) de la cajuela, medido normalmente a la línea central del apoyo (mm). L = distancia del tablero del puente a la junta de expansión adyacente ó al final del tablero del puente. Para articulaciones entre luces, L debe tomarse como la suma de la distancia a ambos lados de la articulación. H = para estribos, la altura promedio de las columnas que soportan al tablero del puente hasta la próxima junta de expansión Para columnas y/o pilas la altura del pilar o de la columna Para articulaciones dentro de un tramo, la altura promedio entre dos columnas ó pilares adyacentes (mm)
(
0.0 para puentes simplemente apoyados (mm) S=medido desde la línea normal al tramo. (DEG).
TABLA 6: PORCENTAJE DE N POR ZONA Y COEFICIENTE DE ACELERACION
