DISEÑO 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

• INTRODUCCION

• COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS

• ANALISIS PSEUDO-ESTATICO

• METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS

• ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO

• CASO ESTUDIADO

• CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

CONTENIDOCONTENIDO

Se ha alcanzado un notable progreso en el entendimiento delcomportamiento de las presas de tierra y enrocado sometidas a laacción sísmica.

- Métodos analíticos para calcular la respuesta dinámica de presas.

- Ensayos dinámicos para determinar las propiedades del suelo bajocarga sísmica.

- Métodos de diseño para evaluar la estabilidad sísmica y el potencialde deformación debido a sismos

INTRODUCCION

COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS

1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismosmoderados, con aceleraciones máximas de 0.2 g, sin daños.

2) Presas de material arcilloso con cimentación arcillosa o rocosapueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 yaceleraciones máximas de 0.35 a 0.8 g, sin daños aparentes.

3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secasy son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, consolamente pequeñas deformaciones.

4) El diseño sísmico debe concentrarse en las presas que puedensufrir daños por sismos severos o tienen cuerpos granularessaturados que pueden perder resistencia durante sismos,ocasionando movimientos.

5) El análisis dinámico se emplea en presas de material granular,saturado y suelto a medianamente denso, sometidas a sismofuerte o sobre cimentación del mismo tipo. En estos casos seincrementa la presión de poros durante el sismo, generándosepérdida de resistencia. El método pseudo-estático no es aplicable.

ANALISIS PSEUDO-ESTATICO

- Se utiliza el método de equilibrio límite para el análisis deestabilidad de taludes, adicionando un coeficiente sísmico.

- El coeficiente lateral sísmico es semiempírico, que depende de lasismicidad del país.

- Ruesta, Díaz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficientelateral sísmico para presas de tierra y enrocado en el Perú. Losvalores propuestos son consistentes con las presas de tierra yenrocado diseñadas y construidas en el Perú y el mundo.

- El análisis de estabilidad pseudo-estático sirve además paradeterminar la aceleración de fluencia ky que se emplea en elmétodo simplificado de deformaciones inducidas.

- En una presa de tierra el análisis de estabilidad de taludes serealiza típicamente para alcanzar los siguientes factores deseguridad.

1) Final de construcción + sismo FS > 1.02) Infiltración constante + sismo FS > 1.253) Desembalse rápido + sismo FS > 1.0

DISEÑO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERU (Ruesta, Díaz 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

AÑO

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° 10’10° 10’

77° 20’

11° 45’

76° 15’

14° 55’

73° 50’14° 30’

74° 15’

15° 25’

71° 20’

16° 15’

71° 20’

16° 10’

69° 50’

16° 40’

70° 35’17° 22’69° 57’17° 40’

69° 50’5

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-mación

Fellenius

BishopKrey

AnálisisDinámico

Deform.Inducidas

BishopQuad-4

Fellenius

Cuña 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

Enconstrucción

Enconstrucción

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 PRESASPEQUEÑAS Y MEDIANAS

I

RUESTA, ET AL (1988)

I

III

METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS

- La deformación permanente se emplea como criterio de diseño.

- Método racional simple, se aplica a presas constituídas por suelos arcillososcompactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollode presión de poros, deformaciones pequeñas, el material retiene su resistenciaestática.

- Se basa en el cálculo de deformaciones permanentes, con la evaluación derespuesta dinámica.

- La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida concomportamiento elástico hasta la falla y luego comportamiento perfectamenteplástico.

- Propuesto originalmente por Newmark y modificado por Makdisi y Seed.

1) Determine la aceleración de fluencia, la que produce FS = 1.0.

2) Determine las aceleraciones producidas por el sismo en la presa por respuestadinámica. Se utiliza el método de elementos finitos o vigas de corte. Tiempo-historia de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla.

3) Cuando la aceleración inducida excede la calculada, ocurrirán movimientos; lamagnitud se evalúa con doble integración.

El método se ha aplicado a presas de altura de 30-60 mts., de suelo arcillosocompactado o material granular muy denso.

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

Método 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 / ümax

Promedio detodos los datos

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 ¼

M~7 ½

M ~ 6 ½

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

max

gT

o -

Seg

und

os

ky / kmax

U/k

max

gT

o -

Seg

und

os

• Evaluación de Esfuerzo Estáticos

• Análisis de Respuesta Sísmica

• 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 cúbicos, longitud de coronación de 770metros y altura de 95 metros.

• Coeficiente lateral sísmico = 0.20.

• Sismo de diseño con aceleración máxima de 0.38g ymagnitud de Richter de 7.5 para un período de retorno de 500años.

• Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974.

• Parámetros conservadores de resistencia cortante de losmateriales y modelo hiperbólico esfuerzo-deformación.

• Parámetros dinámicos de la literatura.

SECCIÓN 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 Cimentación

Bloque Estabilizador

Material de Transición

Pantalla de Concreto

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ESTÁTICOTALUD AGUAS ARRIBA (EOC)

PROGRAMA : SLOPE/W

MÉTODO : BISHOP

FACTOR DE SEGURIDAD : 1.53

Materiales γγγγ (KN/m³) φφφφ (°) C(KPa)

Material de Cimentación 21 36 0

Material del Cuerpo de Presa 21 38 0

Bloque Estabilizador 22 42 0

Material de Transición 20 36 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200

220

240

260

280

300

320

340

360

Co

ta (

m.s

.n.m

.)

Distancia (m)

ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ESTÁTICOANÁLISIS DE ESTABILIDAD ESTÁTICOTALUD AGUAS ABAJO (EOC)TALUD AGUAS ABAJO (EOC)

PROGRAMA : SLOPE/W

MÉTODO : BISHOP

FACTOR DE SEGURIDAD : 1.44

Materiales γγγγ (KN/m³) φφφφ (°) C(KPa)

Material de Cimentación 21 36 0

Material del Cuerpo de Presa 21 38 0

Bloque Estabilizador 22 42 0

Material de Transición 20 36 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200

220

240

260

280

300

320

340

360

Co

ta (

m.s

.n.m

.)

Distancia (m)

ANÁLISIS DINÁMICO DE RESPUESTASÍSMICA

- MÉTODOS UNIDIMENSIONALES

- MÉTODOS BIDIMENSIONALES

- PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS

MÓDULO 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

Deformación Cortante, (%)γγγγ

Mó

du

lo c

ort

ante

a d

ef.

co

rta

nte

Mó

du

lo c

ort

ante

máx

imo

γ γγγ

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

Límite superior e inferior para arenas

Raz

ón

de

Am

ort

igu

am

ien

to (

%)

Deformación Cortante, (%)γγγγ

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0 10 20 30 40 50 60

Ace

lera

ció

n (

g)

ACELEROGRAMA DEL SISMO DE LIMA-PERÚ 10/74COMP. N 82° W

Tiempo (s)

ümax = 0.38 g

ESPECTRO DE RESPUESTA NORMALIZADO DEACELERACIONES HORIZONTALES

SISMO : LIMA - PERÚ 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%

Ace

l. E

spec

tral

Ace

l. M

áxim

a

ANÁLISIS BIDIMENSIONAL DERESPUESTA SÍSMICA

- Análisis Estático de Esfuerzo-Deformación

- Análisis Dinámico

X

Y

MALLA DE ELEMENTOS FINITOS

PRESA PALO REDONDO

PARÁMETROS HIPERBÓLICOS DE LOSMATERIALES DE LA PRESA PALO

REDONDO

Parámetro Cimentación Cuerpo dePresa

BloqueEstabilizador

Material deTransición

γ (KN/m³) 21.00 21.00 22.00 20.00

γsat (KN/m³) 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/m²) 0.00 0.00 0.00 0.00

φ(°) 36 38 42 36

∆φ (°) 0 0 0 0

ESFUERZOS CORTANTES ESTÁTICOS

PROGRAMA : FEADAM84

ττττ 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 MÁXIMOS

SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

PROGRAMA : QUAD4Mττττ 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 MÁXIMAS

SISMO : LIMA - PERÚ 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 análisis linealCriterios para la evaluación de módulos dinámicosCurvas de propiedades proporcionadas por el usuarioMétodos de Wilson θ θ θ θ Newmark de integración en el tiempoMatriz de masa consistente y concentradasAmortiguamiento variableBordes viscososGeneración de archivo neutro

GEOSOFTPrograma de Análisis Estático y Dinámico

de Estructuras Geotécnicas

Desarrollado en el CISMID - FIC - UNI

Ace

lera

ció

n (

g)

Ace

lera

ció

n (

g)

Ace

lera

ció

n (

g)

Tiempo (s)

AcelerogramaCalculado en la Cresta

PROGRAMA : GEOSOFT

AcelerogramaCalculado en la Cresta

PROGRAMA : QUAD4M

Acelerograma en laBase Rocosa

SISMO : LIMA 10/74 N82°W

COMPARACIÓN DE ACELEROGRAMAS CALCULADOSEN LA CRESTA CON PROGRAMAS BIDIMENSIONALES

SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

ümax = 0.38 g

ümax = 0.66 g

ümax = 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 MÁXIMAACELERACIÓN EN LA CRESTA

(Makdisi y Seed, 1977)

Ü max To γγγγ ave G Amortig.

(g) (seg) (%) (T/m²) (%)

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 - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

DEFORMACIONES PERMANENTES

- MÉTODO DE NEWMARK (1965)

- MÉTODO DE MAKDISI Y SEED (1977)

- MÉTODO DE SARMA (1975)

MÉTODO DE NEWMARK

- Determinar la aceleración de fluencia

- Cálculo de las aceleraciones inducidas

- Cálculo de las deformaciones permanentes por

integración de las aceleraciones

Ace

lera

ció

n (

g)

Vel

oci

dad

(cm

/s)

De

sp

laza

m. (

cm

)

Tiempo (s)

APLICACIÓN DEL MÉTODO DE NEWMARK

TALUD AGUAS ARRIBA

SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

H

y

Relación y / H : 0.25

Acel. Máx. cresta : 0.66 g

Coef. Fluencia (Ky) : 0.29 g

Coef. Máximo (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

MÉTODO DE NEWMARK

SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

A. TALUD AGUAS ARRIBA ümax = 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

ümax

Ky

Kmax

Desplaz.

(cm)

DEFORMACIONES PERMANENTES

MÉTODO DE NEWMARK

SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

B. TALUD AGUAS ABAJO ümax = 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

ümax

Ky

Kmax

Desplaz.

(cm)

MÉTODO DE MAKDISI Y SEED

- Determinar la aceleración de fluencia

- Cálculo de la aceleración máxima inducida (Kmax)

- Cálculo de las deformaciones permanentes

DEFORMACIONES PERMANENTES

MÉTODO DE MAKDISI Y SEED

A. TALUD AGUAS ARRIBA ümax = 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 - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

Kmax

ümax

DEFORMACIONES PERMANENTES

MÉTODO DE MAKDISI Y SEED

B. TALUD AGUAS ABAJO ümax = 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 - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W

Kmax

ümax

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

• El análisis de Estabilidad Pseudo-Estático se aplica a presas o diquesde enrocado, rellenos cohesivos y arenas densas compactadas.

• El análisis de Estabilidad Dinámico Riguroso se aplica a presas odiques de arenas medianamente densas o cimentación similar. Sedebe considerar el método de análisis y la interpretación deresultados.

• El análisis riguroso requiere determinar los esfuerzos estáticosiniciales y la respuesta dinámica con el sismo de diseño. El método deelementos finitos simula la secuencia de construcción y lascondiciones de esfuerzos existentes antes del sismo y la respuestadinámica posterior.

• El análisis de Estabilidad Post-Sismo se utiliza en casos de licuaciónde suelos y pérdida de resistencia cortante del suelo. Este caso no hasido tratado en esta presentación.

• La presa Palo Redondo, de enrocado con pantalla de concreto tieneuna gran capacidad de resistir sismos muy fuertes con pequeñasdeformaciones.

• El Método Simplificado de Deformaciones Permanentes se aplicaconservadoramente al caso de la presa Palo Redondo.