CRITERIOS PARA EL ANÁLISIS SÍSMICO DE PUENTES Ing. John Ampuero A.
RESUMEN • En el presente documento se hace una revisión a los daños más comunes producidos en las estructuras de los puentes debido a eventos sísmicos, así como lo acontecido en el sur del país a raíz del Sismo de Atico del 23 de junio del 2001. • Asimismo, se hace una revisión de los principales aspectos del análisis sísmico estipulado en las Especificaciones AASHTO LRFD del año 1996. • Finalmente, se señalan recomendaciones para el aálisis sísmico de puentes.
Daños a Puentes en sismos recientes • Las deflexiones sísmicas, basadas en niveles de fuerzas laterales especificadas que fueron seriamente subestimadas. • Debido a que los niveles de fuerza sísmica fueron menores, la relación de cargas de gravedad a fuerza sísmica adoptada para el diseño fue incorrecta. • Acciones estructurales inelásticas y conceptos asociados de diseño por capacidad y ductilidad son cruciales para el desarrollo de sistemas inelásticos bajo respuestas sísmicas severas y que 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 en un tramo del Puente Nishinomiya-ko. Sismo de Kobe
Colapso en un tramo del Puente Nishinomiya-ko. Sismo de Kobe
Falla por desplazamiento en Puente Oakland. Sismo de Loma Prieta
Colapso de Subestructuras. • Relacionado a la respuesta de suelos blandos y terraplenes (rellenos) incompletamente consolidados en la subestructura.
Falla en cimentación Puente Río Vizcaya, Sismo de Costa Rica
Colapso de subestructura en Río Bananito, Sismo de Costa Rica
Fallas en columnas •Esfuerzo flexional y fallas de ductilidad • •
• •
Esfuerzo flexional inadecuado. Bajo niveles de fuerza lateral sísmica fueron típicamente usados para caracterizar acciones sísmicas. Esfuerzo flexional de columnas poco confiable. El refuerzo longitudinal de columnas fue muchas veces traslapado inmediatamente sobre la cimentación, con una inadecuada longitud de traslape para desarrollar los esfuerzos en las varillas. Ductilidad flexional inadecuada. Longitud y confinamiento inadecuados del reforzamiento de la columna
•Falla por corte en columnas
Falla en columna en Puente Mission. Sismo de Northridge
Falla por corte en columna en Puente de Hanshin Expressway, Sismo de Kobe
Falla en columna en Puente de Hanshin Expressway, Sismo de Kobe
Fallas en nudos • La transferencia de las fuerzas de los elementos a través de los conectores resulta en fuerzas de corte horizontales y verticales en los nudos que podrían ser muchas veces las fuerzas de corte de los elementos conectados
Falla en nudos en Cypress Viaduct, Sismo de Loma Prieta
Falla en nudos en Cypress Viaduct, Sismo de Loma Prieta
Fallas en cimentaciones Ha habido comparativamente pocos incidentes reportados de fallas en cimentaciones causadas por acciones sísmicas pero se pueden encontrar las siguientes deficiencias: • Esfuerzo flexional de la cimentación (particularmente debido a la omisión común del reforzamiento superior) • Esfuerzo de corte en la cimentación, debido a que el refuerzo por corte no fue 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 • Conexiones inadecuadas entre pilares de tensión y cimentación
Fallas de componentes de puentes de acero • La transferencia de las fuerzas de los elementos a través de los conectores resulta en fuerzas de corte horizontales y verticales en los nudos que podrían ser muchas veces las fuerzas de corte de los elementos conectados
Caída de viga metálica en Puente Nagata-ku, Sismo de Kobe
FILOSOFIA DEL DISEÑO SISMICO Un puente diseñado y construido de acuerdo con los requisitos debe ser capaz de: • Resistir sismos pequeños a moderados, dentro del rango elástico de los componentes estructurales, sin sufrir daño significativo. • Soportar efectos sísmicos del mismo orden de magnitud de los prescritos para edificaciones corrientes en las normas sismorresistentes, 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 serán evaluadas por cualquier procedimiento racional de análisis que tenga en cuenta las características de rigidez y de ductilidad, las masas y la disipación de energía de la estructura. Se supondrá 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 aceleración “A” deberá ser determinado del mapa de iso-aceleraciones con un 10% de nivel de excedencia para 50 años de vida útil, equivalente a un periodo de recurrencia de aproximadamente 475 años. Estudios especiales para determinar los coeficientes de aceleración en sitios específicos deberán ser elaborados por profesionales calificados si existe una de las siguientes condiciones: • El lugar se encuentra localizado cerca a 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
Mapa de Isoaceleraciones para 50 años de vida útil
Categorización de las Estructuras 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 tres categorías de importancia: • Puentes críticos. • Puentes esenciales, u • Otros puentes.
Zonas de Comportamiento Sísmico Cada puente deberá ser asignado a una de las cuatro zonas sísmicas de acuerdo con la tabla 1 Tabla 1 Coeficiente de Aceleración
Zona Sísmica
A<= 0.09 0.09 < A <= 0.19 0.19 < A <= 0.29 0.29 < A
1 2 3 4
Condiciones Locales Para considerar la modificación de las características del sismo como resultado de las distintas condiciones de suelo, se usarán 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 1.0
II
III
IV
1.2
1.5
2.0
Coeficiente de Respuesta Sísmica Al memos sea especificado de otra manera el coeficiente de respuesta sísmica elástica, Csn para el “n-ésimo” modo de vibración, deberá tomarse como: Csn = 1.2 AS / Tn 2/3 ≤ 2.5 A Donde: Tn
= periodo de vibración del “n-ésimo” modo (s)
A
= coeficiente de aceleración
S
= coeficiente de sitio
Coeficiente de Respuesta Sísmica Excepciones Para puentes sobre perfiles de suelo tipo III o IV y en áreas donde el coeficiente A es mayor o igual a 0.30, Csn debe ser menor o igual a 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, Csn deberá tomarse como: Csn = A ( 0.8+4.0 Tn ) Sí el periodo de vibración para cualquier modo excede 4.0 s, el valor de Csn para ese modo deberá tomarse como: Csn =3 A S Tn 0.75
Factores de Modificación de Respuesta TABLA 3
FACTORES DE MODIFICACION DE RESPUESTA R
SUB-ESTRUCTURA
IMPORTANCIA CRITICA ESENCIAL OTROS
Pilar tipo placa de gran dimensión
1.5
1.5
2.0
• Sólo pilotes verticales
1.5
2.0
3.0
• Grupo de pilotes incluyendo pilotes inclinados
1.5
1.5
2.0
1.5
2.0
3.0
• Sólo pilotes verticales
1.5
3.5
5.0
• Grupo de pilotes incluyendo pilotes inclinados
1.5
2.0
3.0
1.5
3.5
5.0
Pilotes de concreto armado
Columnas individuales Pilotes de acero o acero compuesto con concreto
Columnas múltiples
Factores de Modificación de Respuesta TABLA 4
FACTORES DE MODIFICACION DE RESPUESTA R
CONEXIONES PARA TODAS LAS CATEGORIAS DE IMPORTANCIA Superestructura a estribo
0.8
Juntas de expansión dentro de la superestructura
0.8
Columnas, pilares o pilotes a las vigas cabezal o superestructura
1.0
Columnas o pilares a la cimentación
1.0
Factores de Modificación de Respuesta Aplicaciones • Las cargas sísmicas serán asumidas que actúan en cualquier dirección lateral. • El apropiado factor R se debe usar para ambos ejes ortogonales de la sub-estructura. • 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 RESTRICCION LONGITUDINAL La fricción no deberá ser considerada en el diseño de este 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 Puentes de un solo tramo No se requiere análisis sísmico para puentes simplemente apoyados. Las conexiones entre superestructura de puentes y los estribos serán diseñadas por los requisitos de fuerza mínima. Los anchos mínimos de cajuelas deberán ser satisfechos en cada estribo.
Puentes de varios tramos Selección del método 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 sólo modo
• MM
= método elástico multimodal
• TH
= método tiempo historia
Tabla 5
Requisitos mínimos de Análisis por efectos Sísmicos Puentes Tramos Múltiples
Zona Otros puentes Puentes Esenciales Puentes Críticos Sísmica Regular Irregular Regular Irregular Regular Irregular 1 2 3 4
* SM/UL SM/UL SM/UL
* SM MM MM
* SM/UL MM MM
* MM MM MM
* MM MM TH
* MM TH TH
MÉTODO ELÁSTICO DE CARGA UNIFORME El método de la 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.
MÉTODO 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 de la fuerza
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 3 direcciones de coordenadas en cada modo de vibración. Como mínimo, análisis dinámico lineal usando un modelo tridimensional será usado 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 cuadrada de la suma de los cuadrados (CQC) de cada modo individual.
MÉTODO TIEMPO - HISTORIA Cualquier análisis de método tiempo historia paso a paso usado para análisis elástico o 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 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 MINIMOS DE DESPLAZAMIENTOS El ancho de la cajuela será tomado como: N= (200+0.0017L+0.0067H)(1+0.000125 S2)
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. Para puentes de un solo tramo L es igual a la longitud del tablero del puente (mm) 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 = desviación del apoyo medido desde la línea normal al tramo.(DEG ).
TABLA 6 PORCENTAJE DE N POR ZONA Y COEFICIENTE DE ACELERACION ZONA
COEFICIENTE
TIPO DE
%N
DE ACELERACION
SUELO
1
< 0.025
I o II
≥ 50
1
< 0.025
III o IV
100
1
> 0.025
Todos
100
2
Aplicable a todos
Todos
100
3
Aplicable a todos
Todos
100
4
Aplicable a todos
Todos
150
DAÑOS DE PUENTES DEBIDO A LA ACCION SÍSMICA
Puente Pampa Blanca (Arequipa)
Puente Pampa Blanca (Arequipa)
Puente Pampa Blanca (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente San Salvador (Cuzco)
Muchas gracias
