diseño sismico de taludes
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DISEO SISMICO DE PRESASDE TIERRA Y ENROCADO
Jorge E. Alva HurtadoJorge E. Alva Hurtado
Miguel Infantes QuijanoMiguel Infantes Quijano
CURSO:CURSO:ACTUALIZACION PROFESIONALACTUALIZACION PROFESIONAL
DINAMICA DE SUELOSDINAMICA DE SUELOS
CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICACENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICAY MITIGACION DE DESASTRESY MITIGACION DE DESASTRES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERUUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERU
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INTRODUCCION
COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS
ANALISIS PSEUDO-ESTATICO
METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS
ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO
CASO ESTUDIADO
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONTENIDOCONTENIDO
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Se ha alcanzado un notable progreso en el entendimiento delcomportamiento de las presas de tierra y enrocado sometidas a laaccin ssmica.
- Mtodos analticos para calcular la respuesta dinmica de presas.
- Ensayos dinmicos para determinar las propiedades del suelo bajocarga ssmica.
- Mtodos de diseo para evaluar la estabilidad ssmica y el potencialde deformacin debido a sismos
INTRODUCCION
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COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS
1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismosmoderados, con aceleraciones mximas de 0.2 g, sin daos.
2) Presas de material arcilloso con cimentacin arcillosa o rocosapueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 yaceleraciones mximas de 0.35 a 0.8 g, sin daos aparentes.
3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secasy son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, consolamente pequeas deformaciones.
4) El diseo ssmico debe concentrarse en las presas que puedensufrir daos por sismos severos o tienen cuerpos granularessaturados 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 sismofuerte o sobre cimentacin del mismo tipo. En estos casos seincrementa la presin de poros durante el sismo, generndoseprdida de resistencia. El mtodo pseudo-esttico no es aplicable.
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ANALISIS PSEUDO-ESTATICO
- Se utiliza el mtodo de equilibrio lmite para el anlisis deestabilidad de taludes, adicionando un coeficiente ssmico.
- El coeficiente lateral ssmico es semiemprico, que depende de lasismicidad del pas.
- Ruesta, Daz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficientelateral ssmico para presas de tierra y enrocado en el Per. Losvalores propuestos son consistentes con las presas de tierra yenrocado diseadas y construidas en el Per y el mundo.
- El anlisis de estabilidad pseudo-esttico sirve adems paradeterminar la aceleracin de fluencia ky que se emplea en elmtodo simplificado de deformaciones inducidas.
- En una presa de tierra el anlisis de estabilidad de taludes serealiza tpicamente para alcanzar los siguientes factores deseguridad.
1) Final de construccin + sismo FS > 1.02) Infiltracin constante + sismo FS > 1.253) Desembalse rpido + sismo FS > 1.0
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DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERU (Ruesta, Daz y Alva, 1988)
PRESA
POECHOS
TINAJONES
GALLITOCIEGO
PISHCAPACCHA
RECRETA
YURACMAYO
ANCASCOCHA
IRURO
CONDOROMA
AGUADABLANCA
CHIHUANE
PASTOGRANDE
JARUMA
PAUCARANI
TIPO DepartementoUBICACION
LatitudLongit.
EMBALSEUTIL106xM3
COTACORONAC.
M.S.N.M.
ALTURAMAX(M)
SECCION MAXIMATALUD PROMEDIOAguasArriba Abajo
AguasDIMENSIONES (m)
Corona Base Long.Crest.
METODODE
ANALISIS
COEF.
SISMICO
AO
EST.
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
TierraZonificada
Enrocadopantalla de
acero
Enrocadopantalla deconcreto
Piura
Lambayeque
Cajamarca
Ancash
Ancash
Lima
Ayacucho
Ayacucho
Arequipa
Arequipa
Puno
Moquegua
Tacna
Tacna
4 40
8 30
6 40
79 25
7 14
79 15
10 00
77 1010 10
77 20
11 45
76 15
14 55
73 5014 30
74 15
15 25
71 20
16 15
71 20
16 10
69 50
16 40
70 3517 2269 5717 40
69 505
9
145
237
43
200
59
65
44
267
45
400
300
830 108
216
412
4157
4021
4318
3430
4065
4121
3671
3880
4525
4498
4543 24
22
10
25
45
92
49
40
53
48
50
102
37
48 1:2.25
1:3.0
1:2.35
1:1.8
1:3.5
1:2.5
1:2.5
1:1.5
1:2.5
1:1.7
1:2
1:2.3
1:2.5
1:2 1:2
1:2
1:2
1:1.7
1:1.75
1:2.25
1:1.5
1:2
1:2
1:3
1:1.75
1:2.25
1:2.5
1:2.25 8
9
15
8
12
8
10
9
12
5
8
3.5
8
8
240
250
527
220
280
300
215
173
400
160
120
44
109
100
600
2440
782
425
2900
580
174
383
510
70
177
180
130
130
Por defor-macin
Fellenius
BishopKrey
AnlisisDinmico
Deform.Inducidas
BishopQuad-4
Fellenius
Cua Des-lizante
Bishop
BishopModificado
Fellenius
Bishop
Deform.Inducidas
*
0.25
0.15
0.10
*
*
0.12
*
0.20
0.15
0.15
0.20
0.15
0.15
1965
Fellenius
1971
1975
1985
1982
1984
1984
1982
1967
1972
1986
1987
1980
1978
Estudio
concluido
ESTADO
ACTUAL
Construida
Construida
Construida
Estudio
concluido
Construida
Enconstruccin
Enconstruccin
Construida
Construida
Estudio
concluido
Construida
Construida
Construida
-
ECUADOR COLOMBIA
BRASIL
BO
LIV
IA
OCEANO
PACIFICO IIII
III
COEFICIENTE SISMICO
PRESAS DETIERRA ENROCADO
PRESAS DEZONA
II
III
0.15 - 0.25
0.10 - 0.15
0.05 - 0.10 0.05
0.05 - 0.10
0.10 - 0.20
CHILE
II
PROPUESTO PARA PRESASPEQUEAS Y MEDIANAS
I
RUESTA, ET AL (1988)
I
III
-
METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS
- La deformacin permanente se emplea como criterio de diseo.
- Mtodo racional simple, se aplica a presas constitudas por suelos arcillososcompactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollode presin de poros, deformaciones pequeas, el material retiene su resistenciaesttica.
- Se basa en el clculo de deformaciones permanentes, con la evaluacin derespuesta dinmica.
- La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida concomportamiento elstico hasta la falla y luego comportamiento perfectamenteplstico.
- 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 respuestadinmica. Se utiliza el mtodo de elementos finitos o vigas de corte. Tiempo-historia de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla.
3) Cuando la aceleracin inducida excede la calculada, ocurrirn movimientos; lamagnitud se evala con doble integracin.
El mtodo se ha aplicado a presas de altura de 30-60 mts., de suelo arcillosocompactado o material granular muy denso.
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VARIACION DE LA RELACION DE ACELERACION MAXIMAVARIACION DE LA RELACION DE ACELERACION MAXIMACON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTECON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTE
y / h
Mtodo deElementosFinitos
Viga de Corte(rango de todoslos datos)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
kmax / max
Promedio detodos los datos
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VARIACION DE DESPLAZAMIENTOPROMEDIO NORMALIZADO CONACELERACION DE FLUENCIA
VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PERMANENTENORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIARESUMEN DE DATOS
1.0
0.001
0.001
0.001
0.1
1
10
M~8
M~7
M ~ 6
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
ky / kmax
1
0.1
0.01
0.4
10
0.001
0.0001
0 0.6 0.80.2
7 1/2
6 1/2
M~8 1/4
U
/
k
m
a
x
g
T
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S
e
g
u
n
d
o
s
ky / kmax
U
/
k
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a
x
g
T
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S
e
g
u
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d
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s
-
Evaluacin de Esfuerzo Estticos
Anlisis de Respuesta Ssmica
Procedimiento Recomendado
ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO
-
CASO ESTUDIADOCASO ESTUDIADO
Estudio de Factibilidad de la Presa Palo Redondo delProyecto Chavimochic.
Alternativa Presa de Enrocado con Pantalla de Concreto.
Ubicada en Quebrada Palo Redondo, volumen total de 370millones de metros cbicos, longitud de coronacin de 770metros y altura de 95 metros.
Coeficiente lateral ssmico = 0.20.
Sismo de diseo con aceleracin mxima de 0.38g ymagnitud de Richter de 7.5 para un perodo de retorno de 500aos.
Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974.
Parmetros conservadores de resistencia cortante de losmateriales y modelo hiperblico esfuerzo-deformacin.
Parmetros dinmicos de la literatura.
-
SECCIN TRANSVERSAL DE LA PRESAPALO REDONDO
12.00 m 345.00 m.s.n.m. (Nivel de Coronamiento)341.00 m.s.n.m. (NAMO)
250.00 m.s.n.m.(Terreno Natural)
20.00 m
11
1 1.75 1 1.50
Material del Cuerpo de Presa
Material de Cimentacin
Bloque Estabilizador
Material de Transicin
Pantalla de Concreto
-
ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICOTALUD AGUAS ARRIBA (EOC)
PROGRAMA : SLOPE/W
MTODO : BISHOP
FACTOR DE SEGURIDAD : 1.53
Materiales (KN/m) () C(KPa)Material de Cimentacin 21 36 0
Material del Cuerpo de Presa 21 38 0
Bloque Estabilizador 22 42 0
Material de Transicin 20 36 0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200
220
240
260
280
300
320
340
360
C
o
t
a
(
m
.
s
.
n
.
m
.
)
Distancia (m)
-
ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICOANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICOTALUD AGUAS ABAJO (EOC)TALUD AGUAS ABAJO (EOC)
PROGRAMA : SLOPE/W
MTODO : BISHOP
FACTOR DE SEGURIDAD : 1.44
Materiales (KN/m) () C(KPa)Material de Cimentacin 21 36 0
Material del Cuerpo de Presa 21 38 0
Bloque Estabilizador 22 42 0
Material de Transicin 20 36 0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200
220
240
260
280
300
320
340
360
C
o
t
a
(
m
.
s
.
n
.
m
.
)
Distancia (m)
-
ANLISIS DINMICO DE RESPUESTASSMICA
- MTODOS UNIDIMENSIONALES
- MTODOS BIDIMENSIONALES
- PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS
-
MDULO CORTANTE PARA GRAVAS(Seed et. al., 1984)
Rango de valores
10-4 10-3 10-2 10-1 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Deformacin Cortante, (%)
M
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c
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r
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a
n
t
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a
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f
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c
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o
c
o
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a
n
t
e
m
x
i
m
o
-
AMORTIGUAMIENTO DE GRAVAS(Seed et al., 1984)
10-310-4 10-2 -110
Datos para gravas y suelos gravosos
10
4
8
12
16
20
24
Valores promedio para arenas
Lmite superior e inferior para arenas
R
a
z
n
d
e
A
m
o
r
t
i
g
u
a
m
i
e
n
t
o
(
%
)
Deformacin Cortante, (%)
-
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0 10 20 30 40 50 60
A
c
e
l
e
r
a
c
i
n
(
g
)
ACELEROGRAMA DEL SISMO DE LIMA-PER 10/74COMP. N 82 W
Tiempo (s)
max = 0.38 g
-
ESPECTRO DE RESPUESTA NORMALIZADO DEACELERACIONES HORIZONTALES
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Periodo (seg)
5%
10%
15%
20%
A
c
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.
E
s
p
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c
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r
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A
c
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l
.
M
x
i
m
a
-
ANLISIS BIDIMENSIONAL DERESPUESTA SSMICA
- Anlisis Esttico de Esfuerzo-Deformacin
- Anlisis Dinmico
-
XY
MALLA DE ELEMENTOS FINITOS
PRESA PALO REDONDO
-
PARMETROS HIPERBLICOS DE LOSMATERIALES DE LA PRESA PALO
REDONDO
Parmetro Cimentacin Cuerpo dePresa
BloqueEstabilizador
Material deTransicin
(KN/m) 21.00 21.00 22.00 20.00
sat (KN/m) 22.00 22.00 23.00 21.00
Ko 0.50 0.80 0.80 0.80
K 500 550 600 500
Kur 600 660 720 600
n 0.70 0.80 0.80 0.70
Rf 0.70 0.70 0.70 0.70
Kb 800 1000 1200 800
m 0.30 0.30 0.30 0.30
c (KN/m) 0.00 0.00 0.00 0.00
() 36 38 42 36
() 0 0 0 0
-
ESFUERZOS CORTANTES ESTTICOS
PROGRAMA : FEADAM84
xy (KPa)
-3.30E+002
-3.00E+002
-2.00E+002
-1.50E+002
-5.00E+001
+0.00E+000
+1.00E+002
+2.00E+002
+2.50E+002
+3.10E+002
-
ESFUERZOS CORTANTES MXIMOS
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
PROGRAMA : QUAD4M xy max (KPa)
+0.00E+000
+4.00E+001
+8.00E+001
+1.20E+002
+1.40E+002
+1.60E+002
+1.80E+002
+2.00E+002
+2.20E+002
+2.40E+002
-
ACELERACIONES MXIMAS
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
PROGRAMA : QUAD4MAceler. Max. (g)
+2.50E-001
+2.75E-001
+3.00E-001
+3.25E-001
+3.50E-001
+4.00E-001
+4.50E-001
+5.00E-001
+6.00E-001
+6.65E-001
-
Principales implementaciones efectuadas en el Programa :
Trabaja bajo entorno WINDOWSModelo lineal equivalente para el anlisis linealCriterios para la evaluacin de mdulos dinmicosCurvas de propiedades proporcionadas por el usuarioMtodos de Wilson Newmark de integracin en el tiempoMatriz de masa consistente y concentradasAmortiguamiento variableBordes viscososGeneracin de archivo neutro
GEOSOFTPrograma de Anlisis Esttico y Dinmico
de Estructuras Geotcnicas
Desarrollado en el CISMID - FIC - UNI
-
Ac
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c
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n
(
g
)
A
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c
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n
(
g
)
A
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l
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c
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n
(
g
)
Tiempo (s)
AcelerogramaCalculado en la Cresta
PROGRAMA : GEOSOFT
AcelerogramaCalculado en la Cresta
PROGRAMA : QUAD4M
Acelerograma en laBase Rocosa
SISMO : LIMA 10/74 N82W
COMPARACIN DE ACELEROGRAMAS CALCULADOSEN LA CRESTA CON PROGRAMAS BIDIMENSIONALES
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
max = 0.38 g
max = 0.66 g
max = 0.60 g
0 5 10 15 20 25-0.80
-0.40
0.00
0.40
0.80
-0.80
-0.40
0.00
0.40
0.80
-0.80
-0.40
0.00
0.40
0.80
-
PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADOPARA CALCULAR LA MXIMAACELERACIN EN LA CRESTA
(Makdisi y Seed, 1977)
-
max To ave G Amortig.(g) (seg) (%) (T/m) (%)
1 1.1039 0.7498 0.0648 23780.20 13.69
2 1.1254 0.7386 0.0644 24503.52 13.43
3 1.1277 0.7374 0.0644 24581.96 13.40
4 1.1279 0.7373 0.0644 24590.87 13.40
5 1.1280 0.7373 0.0644 24591.89 13.40
ITER.
RESULTADOS AL FINAL DE 5 ITERACIONES
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
-
DEFORMACIONES PERMANENTES
- MTODO DE NEWMARK (1965)
- MTODO DE MAKDISI Y SEED (1977)
- MTODO DE SARMA (1975)
-
MTODO DE NEWMARK
- Determinar la aceleracin de fluencia
- Clculo de las aceleraciones inducidas
- Clculo de las deformaciones permanentes por
integracin de las aceleraciones
-
Ac
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c
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(
g
)
V
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o
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c
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s
)
D
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z
a
m
.
(
c
m
)
Tiempo (s)
APLICACIN DEL MTODO DE NEWMARK
TALUD AGUAS ARRIBA
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
H
y
Relacin y / H : 0.25
Acel. Mx. cresta : 0.66 g
Coef. Fluencia (Ky) : 0.29 g
Coef. Mximo (Kmax) : 0.74 g
Desplazamiento (cm) : 41.20 cm
-0.80
-0.40
0.00
0.40
0.80
0.0
15.0
30.0
45.0
60.0
0 10 20 30 40 50 600.0
9.0
18.0
27.0
36.0
45.0
-
DEFORMACIONES PERMANENTES
MTODO DE NEWMARK
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
A. TALUD AGUAS ARRIBA max = 0.665 g
y / HKy
(g)
0.25 0.29 0.7391 1.1116 0.39 41.1960
0.50 0.27 0.4820 0.7249 0.56 13.2533
0.75 0.25 0.3368 0.4915 0.76 1.4984
1.00 0.23 0.2576 0.3874 0.89 0.0936
Kmax
(g)
Kmax
max
Ky
Kmax
Desplaz.
(cm)
-
DEFORMACIONES PERMANENTES
MTODO DE NEWMARK
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
B. TALUD AGUAS ABAJO max = 0.665 g
y / HKy
(g)
0.25 0.32 0.4653 0.6998 0.69 1.5323
0.50 0.29 0.2370 0.3564 1.22 0.0000
0.75 0.26 0.1707 0.2567 1.52 0.0000
1.00 0.23 0.1652 0.2485 1.39 0.0000
Kmax
(g)
Kmax
max
Ky
Kmax
Desplaz.
(cm)
-
MTODO DE MAKDISI Y SEED
- Determinar la aceleracin de fluencia
- Clculo de la aceleracin mxima inducida (Kmax)
- Clculo de las deformaciones permanentes
-
DEFORMACIONES PERMANENTES
MTODO DE MAKDISI Y SEED
A. TALUD AGUAS ARRIBA max = 1.128 g
Ms = 7.5
y / HKy
(g)
0.25 0.29 0.85 0.959 0.302 99.86
0.50 0.27 0.60 0.677 0.399 34.27
0.75 0.25 0.44 0.496 0.504 13.28
1.00 0.23 0.35 0.395 0.583 5.71
Kmax
(g)
Ky
Kmax
Desplaz.
(cm)
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
Kmax
max
-
DEFORMACIONES PERMANENTES
MTODO DE MAKDISI Y SEED
B. TALUD AGUAS ABAJO max = 1.128 g
Ms = 7.5
y / HKy
(g)
0.25 0.32 0.85 0.959 0.334 90.15
0.50 0.29 0.60 0.677 0.428 26.92
0.75 0.26 0.44 0.496 0.524 11.13
1.00 0.23 0.35 0.395 0.583 6.00
Kmax
(g)
Ky
Kmax
Desplaz.
(cm)
SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W
Kmax
max
-
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El anlisis de Estabilidad Pseudo-Esttico se aplica a presas o diquesde enrocado, rellenos cohesivos y arenas densas compactadas.
El anlisis de Estabilidad Dinmico Riguroso se aplica a presas odiques de arenas medianamente densas o cimentacin similar. Sedebe considerar el mtodo de anlisis y la interpretacin deresultados.
El anlisis riguroso requiere determinar los esfuerzos estticosiniciales y la respuesta dinmica con el sismo de diseo. El mtodo deelementos finitos simula la secuencia de construccin y lascondiciones de esfuerzos existentes antes del sismo y la respuestadinmica posterior.
El anlisis de Estabilidad Post-Sismo se utiliza en casos de licuacinde suelos y prdida de resistencia cortante del suelo. Este caso no hasido tratado en esta presentacin.
La presa Palo Redondo, de enrocado con pantalla de concreto tieneuna gran capacidad de resistir sismos muy fuertes con pequeasdeformaciones.
El Mtodo Simplificado de Deformaciones Permanentes se aplicaconservadoramente al caso de la presa Palo Redondo.