A áli i Sísmico Análisis Sí i d P de Puentes t Ing I n g . Cé Cé sa arr A llvv aarad arr ad a d o Cal C al a l d er e r ón ón ón
• 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 aconte cido en el sur del aís a raíz del Sism Sismo o de Atico del 23 de junio del 2001. • Asim imis ism mo, se hace una revisión de lo los s princip ipa ales Especificaciones AASHT AASHTO O LRFD del año 1996. • Fi Finalmente, se señala lan n recomendaciones para el .
• 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 aconte cido en el sur del aís a raíz del Sism Sismo o de Atico del 23 de junio del 2001. • Asim imis ism mo, se hace una revisión de lo los s princip ipa ales Especificaciones AASHT AASHTO O LRFD del año 1996. • Fi Finalmente, se señala lan n recomendaciones para el .
, fuerzas laterales especificadas que fueron seriamente u . •
e o a que os n ve es e uerza s sm ca ueron menores, la relación de cargas de gravedad a fuerza s smica adoptada para el diseño fue incorrecta.
• Acciones estructurales inelásticas y conceptos asociados de diseño por capacidad y ductilidad son cruc cr ucia iale les s pa para ra el de desa sarr rrol ollo lo de si sist stem emas as in inel elás ásti tico cos s 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. • efectos de suelo. • Impacto en estructuras de puentes.
Colapso en un tramo del Puente Nishinomiya-ko. Sismo de
Colapso en un tramo del Puente Nishinomiya-ko. Sismo de
a a por desplazamiento en uen e a an . Sismo de Loma
•
e ac ona o a a respues a e sue os blandos y terraplenes (rellenos) incompletamente consolidados en la subestructura.
Falla en cimentación Puente Río Vizcaya, Sismo de Costa
Colapso de subestructura en Río Bananito, Sismo de Costa
•Esfuerzo flexional y fallas de ductilidad • Esfuerzo flexional inadecuado. Bajo niveles de para caracterizar acciones sísmicas. •
. refuerzo longitudinal de columnas fue muchas veces , con una inadecuada longitud de traslape para desarrollar los esfuerzos en las varillas. • Ductilidad flexional inadecuada. • Lon itud confinamiento inadecuados del reforzamiento de la columna
Falla en columna en Puente Mission. Sismo de Northridge
a a por cor e en co umna en uen e e Expressway, Sismo de Kobe
ans n
Falla en columna en Puente de Hanshin
Fallas en nudos •
a rans erenc a e as uerzas e os elementos a través de los conectores resulta en fuerzas de corte horizontales verticales en los nudos ue odrían ser muchas veces las fuerzas de corte
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 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 • Esfuerzo de corte en la región inmediatamente inferior de la columna, la cual esta sujeta a altas fuerzas de corte • columnas • Conexiones inadecuadas entre pilares de tensión y
Fallas de componentes de puentes de acero •
a rans erenc a e as uerzas e os elementos a través de los conectores resulta en fuerzas de corte horizontales y verticales las fuerzas de corte de los elementos conectados
Caída de viga metálica en Puente Nagata-ku, Sismo de
FILOSOFIA DEL DISEÑO SISMICO Un puente diseñado y construido de acuerdo con los • 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 rescritos ara edificaciones corrientes en las normas sismorresistentes, y • extremadamente fuertes no debe presentarse colapso del . daño que ocurra por causa de un sismo extremadamente , accesibles para su inspección y reparación.
Fuerzas ísmicas procedimiento racional de análisis que tenga en cuenta , la disipación de energía de la estructura. e supon r que as acc ones s sm cas or zon a es actúan en cualquier dirección. Cuando sólo se realice el an s s en os recc ones or ogona es, os e ec os máximos en cada elemento serán estimados como la de la fuerza sísmica en una dirección y 30% de la fuerza
Coeficiente de Aceleración El coeficiente de aceleración “A” deberá ser determinado del mapa e so-ace erac ones con un e n ve e excedencia para 50 años de vida útil, equivalente a un . Estudios especiales para determinar los coeficientes de aceleración en sitios específicos deberán ser elaborados por profesionales calificados si existe una de las siguientes condiciones: •
.
• Sismos de larga duración son esperados en la región. • La importancia del puente es tal que un largo periodo de ex osición así como eriodo de retorno debería ser considerado
Mapa de soace erac ones para 50 años de vida útil
Categorización de las Estructuras Para efectos de establecer los procedimientos mínimos de análisis así como ara determinar los coeficientes de modificación de la respuesta , tres categorías de importancia: • Puentes críticos. •
uen es esenc a es, u .
cuatro zonas sísmicas de acuerdo con la tabla 1
Coeficiente de Aceleración Zona Sísmica . 0.09 < A <= 0.19 . = . 0.29 < A
2 4
Condiciones Locales Para considerar la modificación de las distintas condiciones de suelo, se usarán los par me ros e a a a seg n e per e sue o obtenido de los estudios geotécnicos Tabla 2
de sitio S
I
II
III
IV
1.0
1.2
1.5
2.0
Coeficiente de Respuesta Sísmica coeficiente de respuesta sísmica elástica, Csn para el “n-ésimo” modo de vibración, deberá tomarse como: sn
.
n
.
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 . , menor o igual a 2.0 A. ara sue os t po y , y para otros mo os st ntos a mo o fundamental el cual tenga periodos menores a 0.3s, Csn e er omarse como:
=
.
.
n
Sí el periodo de vibración para cualquier modo excede 4.0 s, el valor de Csn para ese modo deberá tomarse como: sn
n
0.75
Factores de Modificación de Respuesta SUB-ESTRUCTURA
IMPORTANCIA CRITICA ESENCIAL OTROS
.
.
.
1.5
2.0
3.0
.
.
.
1.5
2.0
3.0
Pilotes de concreto armado • Sólo pilotes verticales •
Columnas individuales
Pilotes de acero o acero compuesto con concreto • Sólo ilotes 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
Columnas múltiples
Factores de Modificación de Res uesta TABLA 4
FACTORES DE MODIFICACION DE RESPUESTA R
CONEXIONES
PARA TODAS LAS CATEGORIAS DE
Superestructura a estribo Juntas de expansión dentro de la superestructura Columnas, pilares o pilotes a las vigas cabezal o superestructura Columnas o pilares a la cimentación
0.8 0.8 1.0 1.0
Factores de Modificación de Respuesta Aplicaciones
• Las cargas sísmicas serán asumidas que actúan . • El apropiado factor R se debe usar para ambos e es orto onales de la sub-estructura. •
u analizado como una columna simple en la dirección más débil si las disposiciones para columnas, como se es ecifica en el ca ítulo de diseño de estructuras de concreto, son satisfechas
DISPOSITIVOS DE RESTRICCION LONGITUDINAL La fricción no deberá ser considerada en el , diseñados para una fuerza calculada con el producto del coeficiente de aceleración con la adyacentes o parte de la estructura.
CARGAS SÍSMICAS PARA EL ANÁLISIS Puentes de un solo tramo No se requiere análisis sísmico para puentes . Las conexiones entre su erestructura de puentes y los estribos serán diseñadas por los . Los anchos mínimos de ca uelas deberán ser satisfechos en cada estribo.
Puentes de varios tramos Los re uisitos mínimos de análisis serán como se especifica en tabla 5; donde: •
*
= análisis sísmico no requerido
• •
=
• MM
= método elástico multimodal
• TH
= método tiempo historia
Tabla 5
Requisitos mínimos de Análisis por efectos Sísmicos Puentes Tramos Múlti les
Zona 1 2 3
Otros puentes * SM/UL SM/UL
* SM MM
Puentes Esenciales Puentes Críticos * * SM/UL MM MM MM
* MM MM
* MM TH
modo fundamental de vibración en la dirección ong u na o a recc n ransversa . per o o e este modo de vibración será tomado como aquella oscilación de un sistema equivalente masa – resorte. La ri idez de este resorte e uivalente será calculada usando el máximo desplazamiento que aplicada al puente. El coeficiente de respuesta , sn, sísmica uniforme equivalente, del cual los efectos de fuerza sísmica son encontradas.
MÉTODO ESPECTRAL UNIMODAL El método espectral estará basado en los modos un amenta es e v rac n en a recc n transversa o longitudinal. Las formas de modo pueden ser encontrados aplicando una carga horizontal a la estructura calculando la forma deformada correspondiente. El periodo natural puede ser energía cinética asociada con la forma de modo un amen a . a amp u e a orma esp aza a puede ser encontrada a partir del coeficiente sísmico de respuesta elástica, Csn y el desplazamiento es ectral corres ondiente. Estas am litudes serán usadas para determinar los efectos de la fuerza
MÉTODO ESPECTRAL MULTIMODAL El método de análisis espectral multimodal será usado en más de una de las 3 direcciones de coordenadas en ca a mo o e v rac n. omo m n mo, an s s dinámico lineal usando un modelo tridimensional será usado para representar la estructura. n mero e mo os nc u os en e an s s e er a ser al menos 3 veces el número de tramos en el modelo. El espectro de respuesta sísmica elástica será usado ara cada modo. Los des lazamientos las fuerzas de los miembros pueden ser estimados los cuadrados (SRSS) 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. carga de sismo será seleccionada en consulta con la autoridad . , cinco espectros tiempo historia serán usados cuando no se . cinco registros tiempo historia serán los mismos como los usados ara el análisis modal modificado or las características del tipo de suelo. os reg s ros e ace erac n e en ra a e er n ser correctamente elegidos. Cuando no se dispongan de series s r cas e s o, c nco ser es s r cas e s os compa es podrán usarse.
REQUERIMIENTOS MINIMOS DE
=
.
.
.
2
=
, medido normalmente a la línea central e apoyo mm . de expansión adyacente ó al final del tablero del puente.
ara ar cu ac ones en re uces, e e omarse como la suma de la distancia a ambos lados de la articulación. Para puentes de un solo tramo L es
=
, que soportan al tablero del puente hasta la pr x ma un a e expans n. , columna Para articulaciones dentro de un tramo, la altura prome o en re os co umnas p ares ad acentes mm
0.0 para puentes simplemente apoyados (mm). S = desviación del apoyo medido desde la línea normal al tramo.(DE ).
TABLA 6 PORCENTAJE DE N POR ZONA
ZONA 1
COEFICIENTE DE ACELERACION < 0.025
TIPO DE SUELO I o II
%N 50
. 1
> 0.025
Todos
100
2
Aplicable a todos
Todos
100
3
A licable a todos
Todos
100
4
Aplicable a todos
Todos
150
Debido a la
(Arequipa)
Puente Pam a Blanca requ pa
Puente Pampa Blanca (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Freyre (Arequipa)
Puente Fre re Are ui a
Puente Freyre (Arequipa)
Are ui a
Puente Freyre requ pa
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara Tacna
Puente Camiara acna
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
Puente Camiara (Tacna)
(Tacna)
Puente San Salvador (Cuzco)
