Licuacion de Arenas-Análisis de Puentes.pdf

XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo De Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú

ANALISIS DE LA COMPETENCIA DEL DISEÑO DE UN PUENTE Y LA LICUACIÓN DE ARENAS. ALBERTO JOSÉ MARTÍNEZ VARGAS PROFESOR EMÉRITO –UNI C.I.P-582

ALBERTO J. MARTÍNEZ VARGAS JR . BACHILLER F.I.C-UNI.

RESUMEN Después de revisar, analizar y evaluar los resultados de la competencia del diseño de un puente, frente al problema de licuación de arenas como consecuencia del terremoto de Filipinas en 1990, y, en base a una de las recomendaciones de la comisión EEFIT-1991, se convocó al concurso en 1994 (Ref-1), para desarrollar nuevas técnicas propiciando limitar el efecto de licuación y reducir los daños en los puentes. Como el Perú tiene similares condiciones sísmicas que Filipinas, hemos considerado de interés dar a conocer los diferentes criterios y alternativas planteadas para su solución información al alcance de los especialistas docentes y estudiantes de Maestría en geotecnia de la FIC- UNI, donde fue materia de una práctica-seminario permitiendo la consulta libre. Por la experiencia del autor principal en el tratamiento de las riberas del río Piura en las defensas de las ciudades de Piura y Castilla, efectuadas después del Niño de 1983-84. encontramos que la alternativa ganadora incluye como parte de su solución, el tratamiento selecto del suelo licuable, que redujo el ancho del cauce y la longitud del puente, el método empleado es en lo conceptual la concebida en el Perú hace 10 años aproximadamente, ambas son por terraplenes, en el caso del Perú, es medio terraplén por tratarse de defensas ribereñas del río Piura, que consiguió minimizar y controlar la licuación con el tratamiento del suelo de la cimentación. Se presentó el Problema de la competencia, propuesto como una práctica en el curso de Geotecnia de Problemas Especiales del Post grado de la FIC-UNI (Ref-2) como base para el análisis.

PREGUNTA ¿ Cual sería un diseño conceptual para la construcción de un puente que pueda soportas el efecto de licuación del suelo, en áreas de gran riesgo sísmico? CONDICIONES 1. Instrucciones técnicas, requieren que el puente sea transitable por un convoy de camiones de 24 toneladas, y dentro las 24 horas de experimentar un terremoto de magnitud 8 de la escala de Richter, a una distancia de 20 km. 2. La sección transversal del emplazamiento del puente se da en la (Fig.-1). El estrato A es licuable y B no. 3. El alumno deberá proporcionar un solo dibujo tamaño A-3, ( en el concurso era tamaño A-1) y hasta 1000 palabras para describir su solución Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo De Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú 4. Aspectos que deben tenerse presente: • • •

Originalidad, posibilidad de construcción, economía y elegancia. Aplicabilidad general en condiciones del Perú y Cumplimiento de las condiciones de diseño para el trabajo normal como las extremas.

FIG.-1

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA PARA EL DISEÑO DEL PUENTE CONVOCATORIA : CONDICIÓN

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INTENCIÓN

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Por el Instituto de Ingeniería Civil–Inglaterra. “Overseas Depelopment Administration Britanicie”. El diseño debe ser conceptual, para la construcción de un Puente que soporte la licuación, por lo menos con condiciones similares que para Filipinas y otras de gran riesgo sísmico. Fue buscar nuevas ideas para resolver el problema del efecto de licuación y el impacto en los Desastres Naturales.

ANTECEDENTES: Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 - 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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Los conocimientos teórico de licuación experimental y experiencia están bien conocidos. En el Mundo los puentes están expuesto a alto riesgo sísmico por licuación de arenas. El Modelo escogido fue el terremoto de Filipinas del 16 de Julio de 1990 en Luzón, con una magnitud de 7 a 8.5 escala de Richter donde por lo menos 24 puentes son declarados no utilizables o severamente dañados. Provocó de inmediato la interrupción de los esfuerzos de ayuda Internacional con graves trastornos a largo plazo en la economía de Filipinas. Los terremotos severos en muchos países, la licuación ha causado y pueden causar problemas similares. Las medidas para prevenir, si los suelos van a licuarse o no, están bien definidas. El diseño contra ella es más difícil. Una recomendación del informe sobre el sismo de Filipinas, fue desarrollar nuevas técnicas para limitar la competencia de la licuación.

PROPUESTA A los alumnos del curso sobre Problemas Especiales en Geotecnia, del Postgrado de F.I.C-U.N.I, pueden consultar a los Profesores de Mecánica y Dinámica de Suelos, Consultores, Especialistas y Diseñadores de Puentes, También por Internet, además de informarse de las referencias indicadas. RESULTADOS DE LA COMPETENCIA: • El jurado estaba formado por distinguidos profesionales internacionales y Presidido por el Profesor Roy Severn de la Universidad de Bristol. • Se presentaron 150 solicitudes. • Se recibieron 45 soluciones completas y • Se mostraron en un exposición los 16 mejores diseños. RESUMEN Y COMENTARIO DE LOS DISEÑOS PRESENTADOS: • • •

La competencia generó diversidad de ideas interesantes e innovadoras que sin duda serán de gran valor para los diseñadores del Perú y del resto del mundo en zonas sísmicas.. Las soluciones de dividieron en dos categorías: 1) Flotantes y 2) Sostenidas con pilotes. Una sola con tratamiento selecto del suelo licuable, que redujo el ancho del cauce y la longitud del puente, fue la ganadora.

CRITERIOS, EXPERIENCIAS Y CONDICIONES TÉCNICAS POR CONSIDERAR. • •

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La naturaleza de la licuación en ríos de cauces amplios, donde hay movimiento lateral en el suelo y asentamiento asociado a la densificación del depósito del suelo en profundidad. Los movimientos laterales generalmente son inciertas cuesta abajo, pero la extensión y la orientación exacta de los movimientos depende de muchos factores, incluyendo el perfil del límite en profundidad entre las capas licuables. Por lo anterior la estimación de la magnitud y la dirección del movimiento son muy difíciles. La experiencia sugiere que los movimientos (por flujos) de varios metros son bastantes posibles de definir hasta en suelos aparentemente horizontales.

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Aunque la solución flotante parezca a primera vista muy atractiva, las graves distorsiones y articulación que se presentarían, después de un terremoto no serían fáciles de reparar, y en muchos casos los puentes propuestos serían difíciles y costosos de construir. Algunas excavaciones hubieran requerido grandes movimientos de masas de suelos con intervalos frecuente a través del río por debajo del nivel de agua subterránea. Otra preocupación fue el anclaje, ya que si se desea mantener intacto el puente, el arrastre de los pilares “flotantes” necesitaría ser contra restado en los estribos. La naturaleza de las fuerzas entre los pilares, una vez que se llega al limite de una articulación, sería muy difícil de predecir.

MUCHOS PARTICIPANTES NOTARON QUE: • •

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Históricamente, las cimentaciones sostenidas con pilotes no se han comportado bien en los suelos licuables por la perdida lateral de rigidez y por las grandes fuerzas impuestas al suelo. Para proteger la cimentación del pilar muchas soluciones mostraron el uso del tratamiento del suelo, por ejemplo columnas de enrocado, para crear islas, que no se licuen y sea capas de resistir las fuerzas impuestas por el suelo licuable adyacente. Se propusieron también pilotaje inclinados, siendo frecuente la formación del tipo estrella (con la intención de proporcionar rigidez lateral y rotacional uniforme en todas las direcciones) pese a que muchos participantes reconocían que en los terremotos pasados el pilotaje inclinado había funcionado pobremente. Unos pocos optaron por minimizar el ancho del cauce usando terraplenes para aproximarse al puente, con alcantarillas por debajo para proveer un buen drenaje de inundación. Los terraplenes seguramente serían dañados durante un terremoto pero un tratamiento selecto de suelo debajo de la pista podría dar un balance entre el costo prohibitivo de un remedio total y asegurar un trafico adecuado inmediatamente después de un evento. Esta sugerencia fue de la propuesta ganadora. Reduciendo el cauce se podía reducir el costo de la sección del puente, y este beneficio podría usarse en una mayor inversión en los cimientos de los pocos pilares restantes. Las posibilidades de construcción tuvo mucha importancia para los jueces. Las opciones que podían construirse usando plantas relativamente simples y con técnicas constructivas estándar fueron consideradas más favorablemente que soluciones sofisticadas.

SOLUCIONES : Hubo una gran variedad de soluciones para el puente: • • • •

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De estructuras sobre pontones. Estructuras totalmente sostenidas por cables. La mayoría consideraron plataformas (secciones) independiente del puente para proporcionar articulaciones de movimiento adecuados. Varios adoptaron por aisladores entre los pilotes y las plataformas, aun que no fueron claros, cómo esto eran beneficioso, dado al movimiento continuo del suelo esperado, aun con el suelo tratado. El costo que se adecue más al problema.

En general, las plataformas de concreto pretensado fueron la opción más favorecida, en tanto proporcionaban una combinación de rendimiento y menor tiempo en la construcción y reconstrucción de los terraplenes dañados por el sismo, dando vialidad según una de las condiciones impuesta. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 - 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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RESULTADOS: • •

La solución escogida fue un Puente de menor longitud con plataforma de concreto pretensado y tratamiento de la cimentación que minimiza la licuación, ver (Fig.-2). La competencia tuvo un gran éxito, elevo la conciencia y desarrollo interesantes y múltiples ideas para el futuro.


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ANALISIS DE LA COMPETENCIA DEL DISEÑO DE UN PUENTE Y LA LICUACIÓN DE ARENAS.

FIG-2


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XIII-CONIC-IQUITO-2003

La clasificación de los diseños presentados fue una tarea difícil de desempeñar e inevitablemente y subjetiva en naturaleza. Los Jueces fueron unánime en proclamar el alto estándar y el gran esfuerzo realizado por todos los participantes.

RESULTADO DE LA PRACTICA. 1. DE LOS CUATRO ALUMNOS QUE LLEVAN EL CURSO RESPONDIERON: •

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Dos presentaron con Puentes Colgantes de un sólo tramo de más de 500m de longitud, si bien eliminaba el problema de licuación, esta solución no cumplía con el resto de las condiciones de construcción y operatividad después del sismo, es más no era económica y su cimentación muy cara como difícil. Una cumplió con uno de los requerimientos, principalmente en el tratamiento de la cimentación del suelo licuable aplicando el método de (D.D.I.) Densificación Dinámica Integral (Fig.-3b), y (Refs–4 y 5). Sin embargo cometió un error de concepto al ubicar el tratamiento del suelo entre los pilares piloteados. Otra solución presentada fue usando cajones para un puente de tres tramos de 120m de longitud, que también cometió el mismo error que la solución anterior.

2. CONSULTAS EFECTUADAS POR LOS ESTUDIANTES : Se recuerda que una condición para participar en la competencia internacional, fue tener menos de 30 años, con lo cual todos los especialistas y consultores como docentes de nuestro medio quedaban descartados; por lo que en esta oportunidad después de casi 10 años, todavía está vigente la respuesta para los estudiantes del postgrado y especialistas que esperamos den a conocer su experiencia, opinión o sugerencia de una nueva alternativa diferentes a las propuestas; ya que en la costa del Perú existen puentes, como el de Simón Rodríguez en Amotape sobre el río Chira, Independencia en el río Piura en el bajo Piura, Bolsico en Tumbes en el río Yauca-Nasca , en el río Mayo en el puente Yurayacu en Rioja San Martín en condiciones de licuación de arenas por alta sismicidad. ALGUNAS RESPUESTAS DE LOS CONSULTADOS FUERON: • • •

Poco comunicativo y algunos solicitaron copia del tema para estudiarlo, sin dar respuesta. Otros plantearon en forma general sin mayor justificación. Se espera que después de muestra intervención en el XIII-CONIC-IQUITOS, permita efectuar una evaluación de otras alternativas que presente los ingenieros, docentes, especialistas, consultores y constructores en ingeniería geotécnica, sísmica y puentes.

APORTE DEL PROFESOR MARTÍNEZ De la experiencia comprobada en el diseño de las defensas ribereñas de la Ciudades de Piura y Castilla efectuada el año 1984 , es decir 10 años antes de la convocatoria de la competencia, se efectuó un tratamiento como parte de la cimentación de las defensas ribereñas del río Piura-Perú Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 - 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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(Fotos-1 al 6), aplicando el Método de Densificación Dinámica Integral (D.D.I) en medio terraplén (Fig-3b), que sí, se duplica como la (Fig.-4), tenemos de la alternativa ganadora, por supuesto sin tablestacas ni tensores.

a) SOLUCIÓN CON TERRAPLÉN DEL TRATAMIENTO DEL SUELO.

b) MEDIO TERRAPLÉN EN RIBERAS DEL RÍO PIURA

FIG-3 CRITERIOS DEL METODO D.D.I •

Mejorar la resistencia a la licuación del suelo aumentando su densidad.

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Controlar y evitar se produzcan los problemas previstos.

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Por observaciones de campo, condiciones naturales y experiencia se esperaba: - Licuación. - Tubificación, - Inestabilidad de Taludes, - Asentamientos y - Erosiones lateral como Socavación.

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Adecuar y usar los recursos naturales disponibles de la zona como los equipos y tecnología de los constructores.

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Integrar las diferentes etapas del proceso constructivo para aprovechar al máximo la energía dinámica por desarrollar.

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Nuestra base para iniciar el trabajo en un suelo totalmente inestable como es la ribera del río Piura era alcanzar una densificación aceptable de Dr ≥ 50%, la misma que se va mejorando conforme se avanza la construcción y alcanza Dr ≥ 70% especificada.

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Disponer especificaciones y un control realista con las condiciones existentes capaz de dar viabilidad para iniciar la construcción y seguridad a la obra (Fotos-1,2 y3)


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Las defensas diseñada después del Niño de 1983-84 con (Q = 3200 m3/seg ) han pasado la prueba en el Niño de 1997-98 con (Q = 4 224 m3/seg) sin daños relevantes; presentamos en la (Tabla-1) una comparación. TABLA-1 CIUDADES CONDICIONES Sísmicas (parecidas)

Características de los cauces (diferentes)

FILIPINAS Terremoto del 16 de Julio de 1990, de magnitud 7.8 de Escala de Richter Ancho en estiaje = 60m y en avenida

=580m

Profundidad de licuación 15 a 20m Fondo no licuable B

Fenómeno del Niño- 1983 y Soporto el de 1998 de mayor caudal, Q = 4 420 m3/seg. Ancho en estiaje =30m (Fots.3 y4) En avenida = 100m Profundidad de licuación 10 a 15m Fondo no licuable de la formación Zapallal Juntando dos medio terraplén, con

Solución del tratamiento del suelo

Con un terraplén densificado con

licuable

columnas de enrocado

(parecidas) Alternativa

PIURA-PERÚ

columnas de gravas e hincado del suelo sin las tablestacas, ni tensores (Fig-3b), queda como la (Fig-4).

Más completa

(parecidas)

Parcial pero la adecuada en las riberas del río Piura, (Fotos-5 y 6).


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FIG-4 Croquis del tratamiento con D.D.I mejorado por A. Martínez –2002

FOTO-2

FOTO-1


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FOTO-4

FOTO-3

FOTO-6

FOTO-5

RECOMENDACIONES 1. A los especialistas en puentes, la necesidad de actualizarse en los problemas sobre cimentaciones y su relación con la geotecnia, principalmente en dinámica de suelos y el problema de la licuación de suelos finos de limos, arenas sueltas y saturadas y también en gravas con matriz de suelos finos licuables. 2. A los docentes de Puentes, Mecánica y Dinámica de Suelos analizar las diferentes soluciones de esta competencia, ver (Fig-2) y otras alternativas de acuerdo a nuestra realidad. 3. Como la competencia ya paso, no es disculpa el limite de edad de menores de 30 años, para opinar o formular alternativas de solución o analizar y discutir las soluciones presentadas mejor la ganadora, la experiencia es un criterio más en la solución aceptable, sin limite de edad.


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4. Considerar esta ponencia como el inicio de la discusión, análisis, estudio e investigación permanente en el Perú, aún desinformado en una época de globalización por medio del Internet. CONCLUSIONES 1. Es de lamentar que ningún especialista peruano participo en esta competencia. 2. Existen muchos ríos de la costa donde hay gravas arenosas con potencial de licuación de gravas como el ocurrido en el puente Yauca (Ref-5). 3. En nuestro medio los que verdaderamente deberían mostrar interés por estos eventos, y estar dispuestos a dar su opinión o experiencia sobre el particular deben una explicación técnica y ética de su comportamiento con la familia del Colegio de Ingenieros del Perú. 4. Que todavía queda una esperanza docente que en las aulas de las Universidades donde se enseña Ingeniería Civil se estudie , analice y discuta el contenido de esta competencia Internacional y sobre todo se trasmita y divulgue los criterios y experiencias ganadas. 5. Diez años antes en Piura-Perú, se hizo un tratamiento en suelos licuables, (Refs-4 y 5) que es parte de la solución ganadora de la Competencia. REFERENCIAS: 1. Structures to Withstand Disasters The Intitution of Civil Ingeneers, Londres.1995 ITDG. 2. Las indicadas en las Práctica-1, Curso Problemas Especiales en Geotecnia. Postgrado FICUNI. Octubre de 2002. 3. El Buen Juicio en la Ingeniería Geotécnica, Ralph Peck. Análisis y comentarios de A.M.V. 4. Densificación Dinámica Integral en las obras de las defensas del Río Piura –Perú. A Martínez. V-CONIC-Tacna-1984. 5. Tratamiento de las Defensas Ribereñas. Ciudades de Piura Castilla. A. Martínez. V y J. Martínez Del Rosario. Congreso Panamericano de Mecánica de Suelos y de Cimentaciones en Cartagena– Colombia.1987 y L.g.g.a-119. y Boletín geotécnico N°5. F.I.C-U.N.I. ESTE TRABAJO ES PROPIEDAD INTELECTUAL DEL AUTOR Y NO ESTA AUTORIZADA SU REPRODUCCIÓN, PUBLICACIÓN SIN LA AUTORIZACÓN LEGAL POR LEY. SOLO CONFINES DOCENTES Y TRABAJOS DE INVESTIGACIÓN PUEDE DIVULGARSE, DANDO LA REFERENCIA RESPECTIVA. 12 DE OCTUBRE DEL 2003 A.M.V.


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