análsis y diseño sísmico de puentes 02

“ANALISIS Y DISEÑO SÍSMICO DE PUENTES”

Pontificia Universidad Católica del Perú

Expositor:

José Alberto Acero MartínezIngeniero Civil

Magíster en Ingeniería Civil

Diciembre 2006

COLEGIO DE INGENIEROS DEL PERÚ

SEDE JULIACA - PUNO

Capítulo I: Introducción y Antecedentes

Pérdida de recubrimiento en Pilar.

Terremoto de Northridge

Colapso de puente. Terremoto de Northridge

(17/01/1994)

1.1. Antecedentes

“Propuesta de norma para el diseño sísmico de puentes”


1.1. Antecedentes

Daño en apoyo del puente Casma. Terremoto de Chimbote

(31/05/1970).

Daño en apoyo de puente. Terremoto de Arequipa (16/02/1979).


Puente dañado en el sismo de Nazca (12 de Noviembre 1996)


1.1. Antecedentes


Puente Freyre. La Punta de Bombón (Islay-Arequipa), ladeo del pilar intermedio – Sismo del 23 de Junio del 2001


1.1. Antecedentes


Puente Freyre. La Punta de Bombón (Islay-Arequipa), ladeo del pilar intermedio – Sismo del 23 de Junio del 2001

Ladeo Lateral


1.1. Antecedentes


FACTORES DE ZONIFICACIÓN

FACTOR DE IMPORTANCIA

COEFICIENTES DE SITIOEVALUAR

FACTORES DE REDUCCIÓN

ESPECTROS DE RESPUESTA

MÉTODOS DE ANÁLISIS UTILIZADOS POR LOS CODIGOS

CONSULTADOSESTUDIAR

1.2. Objetivos



1.3. Alcances y metas


Puente Canaval y Moreyra, sobre la

Vía Expresa

Vigas y conexiones de acero estructural




Puente Quiñones, sobre la Av. Javier

Prado

Se observa una sección reducida

en la base del pilar




Puente Circunvalación, sobre la Av. Javier

Prado

Pareciera que no tiene una junta sísmica

suficiente entre las dos superestructuras


- Zonificación sísmica

Factor Zona

0.151

0.32

0.43

COEFICIENTE DE ACELERACIÓN (Z)ZONA

Cap. II: Propuesta de Norma para el diseño sísmico de puentes en el Perú


- Clasificación por importancia

Clasificación por importancia

Pueden ser cerrados para reparación después de un sismo máximo probable (2500 años de periodo de retorno).

Otros puentes

Deben permanecer abiertos para el paso de vehículos de emergencia después de un sismo de diseño (475 años de periodo de retorno).

Puentes esenciales

Deben permanecer abiertos para todo tipo de tráfico después de un sismo de diseño (475 años de periodo de retorno), y abierto para el paso de vehículos de emergencia después de un sismo máximo probable (2500 años de periodo de retorno).

Puentes críticos

DescripciónCategorías de Importancia



- Efectos de sitio o coeficiente de sitio

Coeficiente de sitio

**- Suelos excepcionalmente flexibles y sitios donde las condiciones geológicas y/o topográficas sean particularmente desfavorables.

S4

1.40.9- Suelos flexibles o con estratos de gran espesor.

S3

1.20.6- Suelos intermedios, con características intermedias entre las de S1 y S3.

S2

1.00.4- Roca o suelos muy rígidos con velocidades de onda de corte altas.

S1

Coeficiente de Sitio (S)

Tp(seg.)

DescripciónTipo de perfil de suelo

* Valores a ser determinados por el especialista.



- Coeficiente de respuesta elástica (Espectro Elástico)


PSCZV ···= 5.2·5.2 ≤

=

T

TC

p

gSCZSa ···= gCSa s ·=

Z= factor de zona. S= factor de suelo o sitio. C= coeficiente sísmico, dado por la ecuación.Tp= periodo que define la plataforma del espectro para cada tipo de suelo. T= periodo fundamental de la estructura.P= peso de la superestructura y subestructura contribuyente.

Se ha decidido que no es necesario tomar en cuenta la carga viva, por que la carga viva varía temporal y

espacialmente.





COEFICIENTE DE RESPUESTA SISMICA ELASTICA-ESPECTRO ELASTICO DE ACELERACIONES

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

1.60

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00

Periodo(segundos)

Sa(

g)

17-Oct-66-N82O

17-Oct-66-N08E

31-May-70-N82O

31-May-70-N08E

03-Oct-74-N82O

03-Oct-74-N08E

NTE E.030

AASHTO STANDARD y LRFD

Comparación de 6 registros peruanos con la N.T.E. E.030, AASHTO

STANDARD y LRFD: para suelo duro, Z=0.4g y 5% de amortiguamiento




ESPECTRO DE DESPLAZAMIENTOS ESPECTRALES

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

20.00

0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.20

Periodo(segundos)

D(c

m)

17-Oct-66-N82O17-Oct-66-N08E

31-May-70-N82O31-May-70-N08E03-Oct-74-N82O03-Oct-74-N08E

E-030(2003)AASHTO STANDARD-LRFD

Comparación de espectros de desplazamiento de 6 registros peruanos

con la N.T.E. E.030, AASHTO STANDARD y LRFD: para suelo duro,

Z=0.4g y 5% de amortiguamiento

- Factor de modificación de respuesta


Factor de Modificación de Respuesta (R)

53.51.5Columnas múltiples

1.0Columnas o pilares a la cimentación.

53

3.52

1.51.5

Pilotes de acero o acero compuesto con concreto:a.Únicamente pilotes vert.b.Uno o más pilotes inclin.

1.0Columnas, pilares321.5Columnas individuales.

0.8Juntas de expansión de una luz de la subestructura.

32

21.5

1.51.5

Pilote de concreto reforzado:a.Únicamente pilotes vert.b.Uno o más pilotes inclin.

0.8De la subestructura al estribo.

21.51.5Pilar tipo muro

OtrosEsencialCrítico

RCONEXIONESRSUB – ESTRUCTURA



- Criterios de regularidad

Regularidad de puentes

-Menos de 7 tramos.

-Sin cambios en su masa o rigidez que excedan 25% de un segmento a otro a lo largo de la longitud.

-Puentes curvos con un ángulo de estribo a estribo menor a 60º.


- Método de análisis Espectral Unimodal (MEU)


Paso 1: Calcular Usx y Usy en ambas direcciones, debido a una fuerza horizontal unitaria uniforme Po


Paso 3: Calcular el periodo fundamental en ambas direcciones

α

γπ

....2

0 gpT =

Paso 4: Calcular la fuerza sísmica estática equivalente Pex

)()( .)(..

xx UxwCs

Peγ

β=

Paso 2: Calcular los coeficientes αααα,ββββ y γγγγ

∫= dxxU s )(α ∫= dxxUxw s )().(β ∫= dxxUxw s

2))().((γ

w(x) = carga muerta de la super y sub estructura

- Método de análisis Espectral Unimodal (MEU)



- Método de análisis Espectral Multimodal (MEM)


Distribución de masas en superestructura y subestructura

a. Realizar el modelo matemático y estructural

b. Calcular los periodos y modos de vibrar

c. Determinar el número de modos

d. Realizar la combinación de fuerzas y desplazamientos


- Selección del método de análisis


Requerimientos mínimos y procedimientos para efectos sísmicos

MTHMEMMEMMEMMEMMEU/MCU3

MTHMEMMEMMEMMEMMEU/MCU2

MEMMEMMEMMEUMEUMEU/MCU NA1

IrregularRegularIrregularRegularIrregularRegular

Puentes críticosPuentes esencialesOtros puentes

Puentes de múltiples tramosPuentes de un solo

tramo

Zona Sísmica

NA = no requiere un análisis sísmico.MCU = Método simplificado o de carga uniforme.MEU = Método de análisis espectral Unimodal.MEM = Método de análisis espectral Multimodal.MTH = Método de análisis Tiempo – Historia


- Criterios de combinación para fuerzas horizontales

Cap. V: Propuesta de Norma para el diseño sísmico de puentes en el Perú

yxSSS ·3.01 +=

yxSSS += ·3.02

Acción simultánea de las 2 componentes de las fuerzas de sismo.


- Desplazamiento de diseño


N = (200+0.0017·Li+0.0067·H)·(1+0.000125·s^2) ≥≥≥≥600mm

N = longitud mínima de la cajuela (mm).Li = distancia del tablero del puente a la junta de expansión adyacente ó al final del tablero del puente (mm).H = para estribos, es la altura promedio de las columnas que soportan al tablero del puente hasta la próxima junta de expansión (mm).s = ángulo de desviación del apoyo medido desde la línea normal al tramo(°)




Porcentaje de N por zona y coeficiente de aceleración

150TodosAplicable a todos3

100TodosAplicable a todos2

100Todos>0.0251

100S3 ó S4<0.0251

≥≥≥≥50S1 ó S2<0.0251

Porcentaje de NTipo de SueloCoeficiente de AceleraciónZona


Z = es el factor de zona sísmica.

1S = son los desplazamientos sísmicos de cada uno de los apoyos elastoméricos expresados en mm.

2Sy

- Juntas Sísmicas


21·5.62 ddZS j ++=


- Topes transversales


Dimensión mínima y separación de superestructura

de tope transversal.


- Direcciones actuantes de las fuerzas de inercia



Capítulo III: Aplicación a un caso práctico

Zona del Puente Altura del Puente:

3993 a 4005 m.s.n.m.

Coordenadas

Geográficas:

Latitud

15º15'30´´ y 15º15'32´´

Longitud

71º25'45 ´´y 71º25'47 ́´

- Ubicación política y geográfica

Zona del Puente


- Topografía, Hidrología, sección transversal y geología



Área de la cuenca colectora: 2645.89 Km2

Longitud del cauce principal(L): 115.71 Km

Longitud al centro de gravedad(Lc): 43.081 Km

Perímetro de la zona de la cuenca: 340.65 Km

Pendiente de la cuenca(Mét. de Alvord): 14.08%

Pendiente media del cauce: 0.00726 m/m

Parámetros Geomorfológicos:Hidrología

Hidrograma Unitario

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200

tiempo (horas)

Cau

dal

(m

3/se

g)

- Topografía, Hidrología, sección transversal y geología



Socavación con el programa HEC-

RAS

- Socavación



- Peligro Sísmico

PELIGRO SÍSMICO DEL PUENTE TISCO - COTACOTA EN BASE ROCOSA

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45

Aceleración Máxima Z(g)

Per

iod

os

de

Ret

orn

o(A

ño

s)

Z=0.35g



- Amplificación Sísmica

ESPECTRO DE AMPLIFICACION DE ONDA SISMICA

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Periodo(segundos)

Sa(

g)

03-Oct-74-N82O

03-Oct-74-N82O-Amplificado

Metodología de Seed para suelos conformados por gravas



- Características geométricas del puente



Propiedades geométricas

Super-estructura

A=4.4975 m2 y=0.923 m Ix=1.799 m4

Iy=30.978 m4 Avy=1.44 m2 Avy=2.588m2

J=7.5926 m4

Subestructura(Pilares)

A=3.2 m2 J=0.5967 m4 Ix=0.1707 m4

Iy=4.2667 m4 Avx=2.667 m2 Avy=2.667 m2

- Propiedades geométricas


xy


- Consideraciones tomadas

CLASIFICACION: Puente Esencial.

REGULARIDAD: Puente regular.

MÉTODO: el requerimiento mínimo es Análisis Espectral Multimodal.

ZONIFICACIÓN: Z=0.4g.

EFECTOS DE SITIO: S2, S=1.2 y Tp=0.6 segundos.



- Análisis Espectral Unimodal




Capítulo VI: Aplicación a un caso práctico


Tx=0.432 segundos





Otra manera de encontrar estos resultados es resolver el problema de los valores y vectores propios, para ello se resuelve

[ ] 0··2 =− φω MK

[K]: es la matriz de rigidez.

[M]: es la matriz de masas.

ωωωω: es la frecuencia natural.




Grados de Libertad de la estructura

Geometría de la estructura

El periodo de vibrar resultó: Tx=0.46 segundos



- Análisis Espectral Multimodal

Espectro de Respuesta Elástico(Z=0.4 y S=1.2)

Espectro de Respuesta Elástico

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

1.20

1.40

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Periodo(s)

Sa(

g)

Z=0.4,S2




Tx=0.4586 segundos

Ty=0.1576 segundos



- Análisis Tiempo-Historia

Se utilizaron:

-6 registros.

-Qué respuesta utilizar:

•La máxima ¿?

•Promedio ¿?

•Promedio + Desviación Standard



- Comparación de resultados de los métodos analizados

0.00730.0358580.00592.200.15760.4586Tiempo Historia(31-05-70-N08E)

0.00860.0397767.60656.300.15760.4586Tiempo Historia(17-10-66-N82W)


0.01010.0531854.40879.000.15760.4586Valores a considerar




0.00850.0531725.68879.040.15760.4586Multimodal Prop. Norma (E.030)

0.00850.0517725.68855.720.15760.4586Multimodal AASHTO (M.T.C.)

0.00220.05561119.001119.000.08650.4319Unimodal

Dy(m)Nudo 11

Dx(m)Nudo 3Fy(Tn)Fx(Tn)Ty(seg)Tx(seg)Método de Análisis

DesplazamientoFuerza BasalPeriodo

Capítulo VI: Aplicación a un caso práctico


- Factores de Reducción (R), desplazamientos de diseño y junta sísmica

N = 550 mm < 600 mm

Desplazamientos de diseño

Sj = 80 mm

Juntas sísmicas



Capítulo VII: Comparación de la propuesta de norma del M.T.C. y la de este trabajo

- La propuesta del M.T.C. considera un coeficiente Z, referido almapa de Alva y Castillo; en la propuesta de este trabajo se considera la de la NTE E-030.

- La propuesta del M.T.C. considera el espectro de la AASHTO LRFD; en la propuesta de este trabajo se considera el de la NTE E-030.

- La propuesta del M.T.C. no define que es un puente regular o irregular; en la propuesta de este trabajo se describe en forma clara.

- La propuesta del M.T.C. solo menciona los métodos a utilizar pero no describe su procedimiento; en la propuesta de este trabajo sedescribe en forma más detallada cada método de análisis elástico.


Capítulo VII: Comparación de la propuesta de norma del M.T.C. y la de este trabajo

- La propuesta del M.T.C. no da criterios de junta sísmica y de uso de topes transversales.

- La propuesta del M.T.C. en cuanto a ancho de cajuela, no especifica que porcentaje debe tomar; en la propuesta de este trabajo se muestra el porcentaje a considerar.


Capítulo VII: Conclusiones y recomendaciones

1. En base al estudio efectuado, se ha desarrollado la propuesta de norma para el diseño sísmico de puentes en el Perú.

2. Los puentes son estructuras de características especiales particularmente vulnerables, que requieren ser diseñados, mantenidos, evaluados y rehabilitados bajo normativas sismorresistentes actualizadas, para cumplir una función social y brindar un servicio continuo.3. El espectro de respuesta sísmica elástica debe ser el dado por la N.T.E E.030 y no la de la AASHTO LRFD (recomendando por la Propuesta del M.T.C.).

4. No deben utilizarse los factores de modificación R de la NTE E.030, ya que ésta ha sido concebida para edificios y no para puentes.

5. Son necesarios estudios e investigaciones para determinar factores de respuesta R que correspondan con la capacidad de absorción y disipación de energía de las estructuras de puentes.


6. Se debe hacer una revisión de los puentes existentes en el Perú, ya que muchos de ellos adolecen de control de sobrecargas verticales, también tienen un peso adicional excesivo por repavimentación, sus apoyos se encuentran en muy mal estado, losas agrietadas, falta de simetría y de regularidad, socavación de pilares y estribos, poco o nada de mantenimiento, y además no se espera un comportamiento sismorresistente adecuado.

7. En cuanto a la carga viva a considerar en el análisis sísmico, se debería estudiar que porcentaje de carga viva debe considerarse, debido a que en nuestras ciudades a veces ocurren congestionamientos que podrían incrementar la fuerza sísmica.

Capítulo VII: Conclusiones y recomendaciones


GRACIAS

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puentes”

análsis y diseño sísmico de puentes 02

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