Colegio de Ingenieros del Perú - C.D. Ica Semana de la Ingeniería Civil
Dr. Rafael Salinas Basualdo Centro de Investigaciones Sísmicas y Mitigación de Desastres Facultad de Ingeniería Civil Universidad Nacional de Ingeniería Ica, 7 de Junio de 2013
Esquema
Daños por sismos en el pasado.
Criterios de diseño sismorresistente.
Normatividad.
Métodos de análisis.
Clasificación de puentes.
Fuerzas sísmicas.
Esquema
Daños por sismos en el pasado.
Criterios de diseño sismorresistente.
Normatividad.
Métodos de análisis.
Clasificación de puentes.
Fuerzas sísmicas.
Daños por Sismos en el Pasado
Loma Prieta 1989. Viaducto Cypress
Loma Prieta 1989. Viaducto Cypress Refuerzo por corte Inadecuado
Loma Prieta 1989. Sección del Viaducto Cypress
Loma Prieta 1989. Falla en Conectores del Tablero
Viaducto en Seattle. Estructura No Dúctil
Kobe 1995. Vía Expresa Superestructura Pesada
Kobe 1995. Falla por Corte activada por Traslapes Inadecuados
Kobe 1995. Traslapes y Estribos Insuficientes
Kobe 1995. Licuación del Suelo y Falla en Apoyos Mecánicos
Kobe 1995. Estación Daikai
Kobe 1995. Estación Daikai
Kobe 1995. Estación Daikai Secciones Transversales Método de Construcción ”cut and cover”
Kobe 1995. Puente Nishinomiya Asentamientos excesivos en el estribo cercano
Kobe 1995. Asentamientos del Terreno
Kobe 1995. Comportamiento de Pilares Cortantes y Cargas Axiales Elevadas
MODIFICACIONES A LA NORMA DESPUES DEL SISMO DE KOBE
Incremento de la capacidad y la ductilidad lateral. Método de Diseño por Ductilidad.
Incremento del refuerzo por corte.
Refuerzo longitudinal contínuo.
Puentes de varios tramos contínuos.
Adopción de apoyos elastoméricos.
MODIFICACIONES A LA NORMA DESPUES DEL SISMO DE KOBE
Recomendaciones para la inclusión de aisladores sísmicos. Incremento de la resistencia y la ductilidad de los sistemas de fijación del puente. Consideración del efecto del esparcimiento lateral asociado a suelos licuables.
Taiwan 1999 Ubicación del Epicentro
Taiwan 1999. Puente sobre Falla Activa
Taiwan 1999. Puente I Jiang sobre Falla Activa
Taiwan 1999. Puente Jyi-Luh (en Construcción)
Taiwan 1999. Efectos en el Puente Jyi-Luh
Taiwan 1999 Pilar como Soporte Simétrico
Pilar como Soporte Asimétrico
Taiwan 1999. Falla por Corte en Ala del Estribo
Efecto Sísmico en los Estribos
Taiwan 1999. Rótula Plástica en la Base del Pilar
Taiwan 1999. Falla por Corte en Pilar
Taiwan 1999. Falla por Corte en Viga
Taiwan 1999. Falla por Pérdida de Asiento en los Apoyos
Turquía 1999 Ubicación del Epicentro
Turquía 1999. Colapso por Desalineamiento de Apoyos
Turquía 1999. Desalineamiento en Apoyos Puentes Oblícuos
Turquía 1999. Desalineamiento en Apoyos
China, 2008 Ubicación del Epicentro
China, 2008 Colapso por pérdida de soporte en apoyos
China, 2008 Movimientos en zona cercana a la falla
China, 2008 Colapso por deslizamiento adyacente
China, 2008 Desalineamiento de apoyos
China, 2008 Fluencia en parte superior de pilar
China, 2008 Puentes en arco Mampostería de piedra - colapsado
Mampostería de C.A. - intacto
Chile 2010 Ubicación del Epicentro
Chile 2010 Desalineamiento Desalineamien to de Apoyos
Chile 2010 Desalineamiento Desalineamien to de Apoyos
Chile 2010 Desalineamiento Desalineamien to de Apoyos
Japón 2011 Ubicación del Epicentro
Japón 2011 Falla por flexión y corte
Referencia: I I -UNA M (2011)
Japón 2011 Falla por flexión y corte
Referencia: I I -UNA M (2011)
CRITERIOS DE DESEMPEÑO SISMICO CODIGO JAPONES (1996) Sismo
Puentes Comunes
Puentes Importantes
Alta Probabilidad
Funcional
Funcional
Baja Probabilidad Tipo I (interplaca) Tipo II (intraplaca)
Evitar el Daño Admitir Daños Crítico Limitados
CRITERIOS DE DESEMPEÑO SISMICO CODIGOS ATC32 Y CALTRANS (1999) Nivel de Servicio Sismo
Nivel de Daño
Puentes Puentes Comunes Importantes
Puentes Comunes
Puentes Importantes
Evaluación Funcional
Inmediata
Inmediata
Daño reparable
Daño mínimo
Evaluación de la Seguridad
Limitado
Inmediata
Daño significativo
Daño reparable
CRITERIO DE DISEÑO Nueva Zelandia
El puente debe poder ser utilizado después de haber sido sometido al terremoto de diseño en el estado límite último, que tiene un periodo de retorno de 450 años, aunque pueda haber ocurrido algún daño y algunas reparaciones puedan ser necesarias
Valores R de acuerdo al sistema de disipación de energía Sistema de Disipación de Energía Estructuras dúctiles o parcialmente dúctiles, en las cuales las rótulas plásticas se forman con la carga última de diseño, a nivel del terreno o en nivel del agua Estructuras dúctiles o parcialmente dúctiles, en las cuales las rótulas plásticas se forman en posiciones razonablemente accesibles. Por ejemplo a 2 metros debajo del nivel del terreno pero no debajo del nivel del agua. Estructuras dúctiles o parcialmente dúctiles, en las cuales las rótulas plásticas son inaccesibles, formándose a más de 2m del nivel del terreno o debajo del nivel del agua, o a un nivel razonablemente predecible. Zapatas continuas diseñadas en roca (a menos que un valor mayor pueda ser justificado). Rótulas plásticas en pilotes en los cuales las cargas sísmicas inducen a grandes fuerzas axiales. Estructuras rígidas (T=0) Estructuras con respuesta elástica
6
4
3
2 1
Ingeniería Sismorresistente
Criterios de Diseño 1) Sismos leves a moderados deben ser resistidos dentro del rango elástico de los elementos resistentes sin daño significativo. 2) En el proceso de diseño deben usarse intensidades y fuerzas realistas. R e fe r en c i a : N o r m a s A A S H TO
Criterios de Diseño 3) Exposición a sismos severos no debería causar colapso parcial o total. Donde sea posible, el daño producido debe ser rápidamente detectable y accesible para inspección y reparación.
R e fe r en c i a : N o r m a s A A S H TO
Procedimiento de Diseño basado en la norma AASHTO
Diagrama de flujo del diseño sísmico (1) Determinación del Coeficiente de aceleración (zona)
Asignar categoría de comportamiento sísmico (SPC)
Determinación del factor de importancia
Determinar el factor de suelo, S Determinar el factor de modificación, R Simplemente apoyado
SI, consideraciones mínimas en apoyos
Diagrama de flujo del diseño sísmico (2) Simplemente apoyado
SI
Consideraciones mínimas en apoyos
NO Categoría A, consideraciones mínimas en apoyos
Otras categorías Determinar método de análisis
Aceleración del suelo AASHTO (A), Perú (Z) Cuando se disponga de estudios de peligro sísmico en el sitio, Z podrá tomarse como el 75% de la aceleración del terreno, expresada en gals, que tiene una probabilidad de 90% de no ser excedida en 50 años. Esto equivale a un período de recurrencia de aproximadamente 475 años con un riesgo de 0.0021 eventos por año.
Zonificación Sísmica
C O L O M B I A E C U A D O R
Z O N A 1
B R A S I L
Zona
Z
3
0,4
2
0,3
1
0,15
Z O N A 3
Períodos de Retorno (TR) para definir la Aceleración del suelo AASHTO: TR = 475 años, ordinariamente. TR = 2500 años, sismo máximo creíble.
CALTRANS: TR = 1000 - 2000 años, sismo máximo creíble.
Nueva Zelanda: TR = 475 años, puentes comunes. TR = 650 a 900 años, puentes de importancia mayor.
Importancia del puente Clasificar la importancia del puente: Para efectos de establecer los procedimientos mínimos de análisis, así como para determinar los coeficientes de modificación de la respuesta en distintos casos, los puentes se clasificarán en dos categorías:
Esenciales ,
es decir aquellos que deberán quedar en condiciones operativas después de un sismo con las características de diseño, a fin de permitir el paso de vehículos de emergencia y de seguridad o defensa. No esenc iales.
Importancia del puente Clasificar la importancia del puente: (3.3)
Función Esencial Otros
Índice de Importancia I II
Categoría de desempeño
Asignarle una categoría de respuesta o desempeño sísmico (SPC) (3.4): A,B,C o D
Coeficiente de sitio (suelo)
Determinar el factor de suelo (3.5)
Factor de modificación, R
Factor de modificación, R
Procedimiento de análisis
Definir el procedimiento de análisis: 1: Análisis espectral unimodal (1 gdl equivalente) 2: Análisis modal espectral (multimodal)
Puentes simplemente apoyados
Puentes simplemente apoyados: no requieren análisis sísmico especial, deben cumplir requisitos mínimos de fuerza y desplazamiento: Fuerzas de diseño : Las conexiones entre superestructura y estribos deberán resistir: V= Reacción x Z Las conexiones entre superestructura y subestructura deberán resistir 0.2 x Reacción de peso muerto
Puentes simplemente apoyados
Desplazamientos de diseño :
Categoría Longitud mínima de apoyos, N (mm) A,B N = 203 + 1.67L + 6.66H C,D N = 305 + 2.50L + 10H donde L= Longitud de la superestructura (m) H = altura del pilar o columnas Nota: Categoría B, si el análisis da mayores valores, éstos serán considerados como los mínimos
Longitud mínima de apoyo L N
N
Longitud mínima de apoyo
Diagrama de flujo del diseño sísmico (3) Determinar método de análisis Análisis: Determinación de fuerzas y desplazamientos Combinar acciones longitudinales y transversales Determinar fuerzas de diseño y desplazamientos Diseñar los elementos estructurales
Diagrama de flujo del diseño sísmico (4) Diseñar cimentación (6) Diseñar estribos Son los elementos adecuados
SI, diseño completado
NO, revisar la estructura
Determinación de las Acciones Sísmicas
Dirección de análisis Para puentes clasificados como B,C y D se hará el análisis en dos direcciones ortogonales independientes.
Combinación de fuerzas
Estado de cargas I: 100% en la dirección longitudinal más 30% en la dirección transversal Estado de cargas II: 100% en la dirección transversal más 30% en la dirección longitudinal
Métodos de Análisis
Procedimiento I: Espectral con un grado de libertad equivalente. Procedimiento II: Modal espectral (multimodal)
Procedimiento I Coeficiente Sísmico
1 .2 AS C s 2 / 3 2 .5 A T A= coeficiente de aceleración, Z en el caso peruano S= factor de suelo T= período del puente
Espectro de diseño normalizado
Procedimiento I (un modo) 1) En cada dirección, calcular el desplazamiento estático v s(x) producido por una carga unitaria uniforme, po. La carga es aplicada sobre todo el puente. 2) Calcular los factores , ,
Modelo equivalente: desplazamientos calculados
Tablero sometido a cargas distribuidas perpendicular y longitudinal (supuestas)
Modelo equivalente: desplazamientos calculados
Deformada debido a las cargas estáticas uniformemente distribuidas
Procedimiento I (un modo) v s ( x ) d x w ( x ) v s ( x ) d x w ( x ) v s ( x )
2
dx
w(x) es el peso muerto de la superestructura del puente y de los elementos de la subestructura que aporten a la inercia
Procedimiento I (un modo) 3) Calcular el período del puente
T 2
p o g
Procedimiento I (un modo) 4) Calcular la carga de sismo estática equivalente C s p e ( x ) w ( x ) v s ( x ) 5) Aplicar la carga anterior y calcular las fuerzas y desplazamientos actuantes
Procedimiento II Coeficiente Sísmico Modal
1 .2 AS 2 . 5 C sm A 2/3 T m A= coeficiente de aceleración, Z en el caso peruano S= factor de suelo T= período del modo “m”
(Excepción para períodos cortos, no aplicable al caso peruano)
Procedimiento II (multimodal) 1) Modelar la estructura: masas y rigideces 2) Resolver el problema de valores característicos 3) Calcular contribución modal 4) Combinar respuestas modales, usar RCSC
Análisis dinámico
Modelo con elementos de barra
Puentes categoría B Combinación de cargas:
1.0 (D + B + SF + E + EQM) D: carga permanente B: Subpresión SF: Presión de agua E: empuje de tierras EQM: Fuerzas de las combinaciones 1 y 2 divididas por R
Puentes categoría C y D Fuerzas modificadas similarmente a categoría B, excepto que para cimentaciones R=1 Fuerzas resultantes de considerar articulaciones plásticas en columnas y pilares
