Analisis Sismico de Presas

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERU

CURSO: ACTUALIZACION PROFESIONAL DINAMICA DE SUELOS

DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADOJorge E. Alva Hurtado Miguel Infantes Quijano

CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICA Y MITIGACION DE DESASTRES

CONTENIDO INTRODUCCION COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS ANALISIS PSEUDO-ESTATICO METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO CASO ESTUDIADO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

INTRODUCCIONSe ha alcanzado un notable progreso en el entendimiento del comportamiento de las presas de tierra y enrocado sometidas a la accin ssmica. - Mtodos analticos para calcular la respuesta dinmica de presas. - Ensayos dinmicos para determinar las propiedades del suelo bajo carga ssmica. - Mtodos de diseo para evaluar la estabilidad ssmica y el potencial de deformacin debido a sismos

COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismos moderados, con aceleraciones mximas de 0.2 g, sin daos. 2) Presas de material arcilloso con cimentacin arcillosa o rocosa pueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 y aceleraciones mximas de 0.35 a 0.8 g, sin daos aparentes. 3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secas y son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, con solamente pequeas deformaciones. 4) El diseo ssmico debe concentrarse en las presas que pueden sufrir daos por sismos severos o tienen cuerpos granulares saturados que pueden perder resistencia durante sismos, ocasionando movimientos. 5) El anlisis dinmico se emplea en presas de material granular, saturado y suelto a medianamente denso, sometidas a sismo fuerte o sobre cimentacin del mismo tipo. En estos casos se incrementa la presin de poros durante el sismo, generndose prdida de resistencia. El mtodo pseudo-esttico no es aplicable.

ANALISIS PSEUDO-ESTATICOSe utiliza el mtodo de equilibrio lmite para el anlisis de estabilidad de taludes, adicionando un coeficiente ssmico. El coeficiente lateral ssmico es semiemprico, que depende de la sismicidad del pas. Ruesta, Daz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficiente lateral ssmico para presas de tierra y enrocado en el Per. Los valores propuestos son consistentes con las presas de tierra y enrocado diseadas y construidas en el Per y el mundo. El anlisis de estabilidad pseudo-esttico sirve adems para determinar la aceleracin de fluencia ky que se emplea en el mtodo simplificado de deformaciones inducidas. En una presa de tierra el anlisis de estabilidad de taludes se realiza tpicamente para alcanzar los siguientes factores de seguridad. 1) Final de construccin + sismo 2) Infiltracin constante + sismo 3) Desembalse rpido + sismo FS > 1.0 FS > 1.25 FS > 1.0

-

-

DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERUPRESA TIPO

(Ruesta, Daz y Alva, 1988)

AO ESTADO UBICACION COTA ALTURA SECCION MAXIMA EMBALSE METODO COEF. Departemento Latitud CORONAC. MAX UTIL TALUD PROMEDIO DIMENSIONES (m) DE EST. ACTUAL (M) Longit. 106xM3 M.S.N.M. Aguas Aguas Corona Base Long. ANALISIS SISMICO Crest. Arriba Abajo Piura 4 40 830 108 48 1:2.25 1:2.25 8 240 600 Por deformacin * 1971 Construida

POECHOS

Tierra Zonificada Tierra Zonificada

TINAJONES GALLITO CIEGO PISHCAPACCHA RECRETA YURACMAYO

8 30 Lambayeque 6 40 79 25 7 14 Tierra Cajamarca Zonificada 79 15 Ancash Ancash 10 00 77 10 10 10 77 20 Lima Ayacucho 11 45 76 15 14 55 73 50 14 30 74 15 15 25 71 20 16 15 71 20

300 400 45 267 44 65 59 200 43

216 412 4157 4021 4318 3430 4065 4121 3671

37 102 50 48 53 40 49

1:3.0 1:2.35 1:1.8 1:3.5 1:2.5 1:2.5 1:1.5

1:2.5 1:2.25 1:1.75 1:3 1:2 1:2 1:1.5

9 15 8 12 8 10 9

250 2440 Fellenius 527 782 220 425 Bishop Krey Bishop

0.25 0.15 0.10 * * 0.12 *

1965 Construida 1975 Construida 1985 1982 Estudio concluido Estudio concluido

Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada

280 2900 300 215 173 400 160

Anlisis Dinmico Deform. 580 Inducidas Bishop Quad-4 Deform. 383 Inducidas 174 510 Fellenius 70Cua Deslizante

1984 Construida 1984 construccin 1982 construccin 1967 Construida 1972 Construida EstudioEn En

Tierra ANCASCOCHA Zonificada IRURO

Enrocado pantalla de Ayacucho concreto Tierra CONDOROMA Zonificada Arequipa AGUADA BLANCA CHIHUANE PASTO GRANDE JARUMA PAUCARANI Enrocado pantalla de Arequipa acero Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada Puno

92 45

1:2.5 1:1.7

1:2.25 1:1.7

12 5

0.20 0.15

16 10 69 50 Moquegua 16 40 Tacna Tacna 70 35 17 22 69 57 17 40 69 50

237 145 9 5

3880 4525 4498 4543

25 10 22 24

1:2 1:2.3 1:2.5 1:2

1:1.75 1:2 1:2 1:2

8 3.5 8 8

120 44 109 100

177 180 130

BishopBishop Modificado

0.15 0.20 0.15 0.15

1986 concluido 1987 Construida 1980 Construida 1978 Construida

Fellenius

130 Fellenius

ECUADOR

COLOMBIA

III

III

BRASIL

II

OCEANO PACIFICO

III I

I

COEFICIENTE SISMICO PROPUESTO PARA PRESAS PEQUEAS Y MEDIANAS RUESTA, ET AL (1988) ZONA PRESAS DE TIERRA 0.15 - 0.25 0.10 - 0.15 0.05 - 0.10 PRESAS DE ENROCADO 0.10 - 0.20 0.05 - 0.10 0.05

I II III

CHILE

BOLIVIA

METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDASLa deformacin permanente se emplea como criterio de diseo. Mtodo racional simple, se aplica a presas constitudas por suelos arcillosos compactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollo de presin de poros, deformaciones pequeas, el material retiene su resistencia esttica. Se basa en el clculo de deformaciones permanentes, con la evaluacin de respuesta dinmica. La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida con comportamiento elstico hasta la falla y luego comportamiento perfectamente plstico. Propuesto originalmente por Newmark y modificado por Makdisi y Seed.

-

-

1) Determine la aceleracin de fluencia, la que produce FS = 1.0. 2) Determine las aceleraciones producidas por el sismo en la presa por respuesta dinmica. Se utiliza el mtodo de elementos finitos o vigas de corte. Tiempohistoria de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla. 3) Cuando la aceleracin inducida excede la calculada, ocurrirn movimientos; la magnitud se evala con doble integracin. El mtodo se ha aplicado a presas de altura de 30-60 mts., de suelo arcilloso compactado o material granular muy denso.

VARIACION DE LA RELACION DE ACELERACION MAXIMA CON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTE

0

0.2

Mtodo de Elementos Finitos Viga de Corte (rango de todos los datos)

0.4

y/h0.6

0.8

Promedio de todos los datos

1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

kmax / max

VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PERMANENTE NORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIA RESUMEN DE DATOS

VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PROMEDIO NORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIA

10

10

M~8 M~7 1 1

M~8 1/4

U/k max gTo - Segundos

7 1/2

U/k max gTo - Segundos

0.1

0.1

6 1/2

M~60.001

0.01

0.001

0.001

0.001 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0001 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

ky / kmax

ky / kmax

ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO

Evaluacin de Esfuerzo Estticos Anlisis de Respuesta Ssmica Procedimiento Recomendado

CASO ESTUDIADO Estudio de Factibilidad de la Presa Palo Redondo del Proyecto Chavimochic. Alternativa Presa de Enrocado con Pantalla de Concreto. Ubicada en Quebrada Palo Redondo, volumen total de 370 millones de metros cbicos, longitud de coronacin de 770 metros y altura de 95 metros. Coeficiente lateral ssmico = 0.20. Sismo de diseo con aceleracin mxima de 0.38g y magnitud de Richter de 7.5 para un perodo de retorno de 500 aos. Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974. Parmetros conservadores de resistencia cortante de los materiales y modelo hiperblico esfuerzo-deformacin. Parmetros dinmicos de la literatura.

SECCIN TRANSVERSAL DE LA PRESA PALO REDONDO

12.00 m 341.00 m.s.n.m. (NAMO)

345.00 m.s.n.m. (Nivel de Coronamiento)

Material de Transicin1.75 1 1 1.50 1

Pantalla de Concreto

1

Bloque Estabilizador

Material del Cuerpo de Presa250.00 m.s.n.m. (Terreno Natural)

Material de Cimentacin

20.00 m

ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TALUD AGUAS ARRIBA (EOC)PROGRAMA MTODO FACTOR DE SEGURIDAD Materiales Material de Cimentacin Material del Cuerpo de Presa Bloque Estabilizador Material de Transicin : SLOPE/W : BISHOP : 1.53 () 36 38 42 36 C(KPa) 0 0 0 0

360 340 320

(KN/m) 21 21 22 20

Cota (m.s.n.m.)

300 280 260 240 220 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Distancia (m)

ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TALUD AGUAS ABAJO (EOC)PROGRAMA MTODO FACTOR DE SEGURIDAD Materiales Material de Cimentacin Material del Cuerpo de Presa Bloque Estabilizador Material de Transicin : SLOPE/W : BISHOP : 1.44 () 36 38 42 36 C(KPa) 0 0 0 0

360 340 320

(KN/m) 21 21 22 20

Cota (m.s.n.m.)

300 280 260 240 220 200 0 50 100 150

Distancia (m)

200

250

300

350

400

450

ANLISIS DINMICO DE RESPUESTA SSMICA- MTODOS UNIDIMENSIONALES - MTODOS BIDIMENSIONALES - PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS

MDULO CORTANTE PARA GRAVAS(Seed et. al., 1984)

Mdulo cortante a def. cortante

1.0Mdulo cortante mximo

0.8 0.6 0.4 0.2 0 10-4 10-3 10-2