Analisis y Diseño Sismico de Estructuras Especiales. Puentes
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Descripción: Análisis y Diseño Sísmico de Estructuras Especiales. Puentes...
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VI. 1 Análisis y diseño sísmico de estructuras especiales. Puentes
Memori Memoriaa
Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CARRETERO EN OMETEPEC, GUERRERO. Manuel Díaz Canales. Guillermo Hernández Zepeda Consultoría Integral en Ingeniería, de C.V Calle La Joya No 74, Xochimilco C.P 16020. México. D. F. Tel. 6-76-18-43.
RESUMEN Basandonos en la información y reglamentación sobre el diseño de puentes carreteros en el país, se describen las diferentes fases de las etapas del análisis y diseño estructural de un puente carretero curvo de 239 metros de longitud. ubicado en el Estado de Guerrero. que comprende la zona de más alta sismicidad en el país conforme al Manual de la C.F.E.-1993 las Normas Técnicas para el Proyecto de Puentes Carreteros de la SCT. Se describe la solución adoptada y se hace énfasis en la necesidad imperiosa de elaborar un Reglamento específico para este tipo de estructuras a nivel nacional,.
INTRODUCCION Con el paso de la carretera que unirá al poblado de Ometepec con Cacahuatepec en el sur del estado de Guerrero, que atraviesa al río Santa Catarma, fue necesario proyectar un puente carretero para lograr cruzar el mismo (ver 1 ). para ello se desarrollo una solución utilizando estructuras convencionales de concreto reforzado en cimentación.
pilas
30 m cada una.
cabezales, trabes postensadas simplemente apoyadas en ocho claros El cruce está esviajado 0” derecha y se encuentra ubicado en curva.
con
longitud
promedio
de
Los criterios que se especifican para el análisis y diseño estructural de puentes de esta magnitud por efectos sísmicos son escasos por lo que se recurrió al uso de Normas y Reglamentos extranjeros como las AASHTO como complemento. A partir de los resultados de los estudios topohidráulicos y geotécnicos y de acuerdo a las recomendaciones de las
especificaciones estándar para puentes carreteros de la AASHTO en su última edición y de las de la Secretaría de Transporte de México, principalmente, se plantearon las siguientes propiedades geométricas requeridas en cl puente (ver 2): 2): Longitud del puente Ancho de calzada
239 m. 7.7 m.
Número de carrile carriless
2 (uno para cada sentido de circulación)
Ancho de cada banqueta Núme Nú mero ro de banqu ba nqu etas et as Ancho de las guarniciones Núme Nú me ro de gua rnic rn ic ione io ness Ancho total del puente
0.50 m.
Carga viva
2
0.25 m. 2 9.7 M. 1 camión
HS-20-44 y
1
camión
DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA El Puente ‘Santa Catarina” se localiza en el kilómetro de la carretera Ometepec-Cacahuatepec, con origen en Ometepec, Guerrero ( ver 1). El nuevo puente comprende una estructura de una longitud total de 239 m.
97 9777
Memori Memoriaa
Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CARRETERO EN OMETEPEC, GUERRERO. Manuel Díaz Canales. Guillermo Hernández Zepeda Consultoría Integral en Ingeniería, de C.V Calle La Joya No 74, Xochimilco C.P 16020. México. D. F. Tel. 6-76-18-43.
RESUMEN Basandonos en la información y reglamentación sobre el diseño de puentes carreteros en el país, se describen las diferentes fases de las etapas del análisis y diseño estructural de un puente carretero curvo de 239 metros de longitud. ubicado en el Estado de Guerrero. que comprende la zona de más alta sismicidad en el país conforme al Manual de la C.F.E.-1993 las Normas Técnicas para el Proyecto de Puentes Carreteros de la SCT. Se describe la solución adoptada y se hace énfasis en la necesidad imperiosa de elaborar un Reglamento específico para este tipo de estructuras a nivel nacional,.
INTRODUCCION Con el paso de la carretera que unirá al poblado de Ometepec con Cacahuatepec en el sur del estado de Guerrero, que atraviesa al río Santa Catarma, fue necesario proyectar un puente carretero para lograr cruzar el mismo (ver 1 ). para ello se desarrollo una solución utilizando estructuras convencionales de concreto reforzado en cimentación.
pilas
30 m cada una.
cabezales, trabes postensadas simplemente apoyadas en ocho claros El cruce está esviajado 0” derecha y se encuentra ubicado en curva.
con
longitud
promedio
de
Los criterios que se especifican para el análisis y diseño estructural de puentes de esta magnitud por efectos sísmicos son escasos por lo que se recurrió al uso de Normas y Reglamentos extranjeros como las AASHTO como complemento. A partir de los resultados de los estudios topohidráulicos y geotécnicos y de acuerdo a las recomendaciones de las
especificaciones estándar para puentes carreteros de la AASHTO en su última edición y de las de la Secretaría de Transporte de México, principalmente, se plantearon las siguientes propiedades geométricas requeridas en cl puente (ver 2): 2): Longitud del puente Ancho de calzada
239 m. 7.7 m.
Número de carrile carriless
2 (uno para cada sentido de circulación)
Ancho de cada banqueta Núme Nú mero ro de banqu ba nqu etas et as Ancho de las guarniciones Núme Nú me ro de gua rnic rn ic ione io ness Ancho total del puente
0.50 m.
Carga viva
2
0.25 m. 2 9.7 M. 1 camión
HS-20-44 y
1
camión
DESCRIPCION DE LA ESTRUCTURA El Puente ‘Santa Catarina” se localiza en el kilómetro de la carretera Ometepec-Cacahuatepec, con origen en Ometepec, Guerrero ( ver 1). El nuevo puente comprende una estructura de una longitud total de 239 m.
97 9777
Sociedad
Mexicana
de
Ingeniería
Sísmica,
divi dividi dida da en clar claros os prom promed edio io de 30 m. dand dandoo un total total de ocho ocho..
La supestruc tura de cada tablero estará formad a por
un tramo de 30 m. (29.50 de longitud de trabe) de claro de losa maciza colada en sitio sobre tabletas dc concreto reforzado, apoyandose sobre siete trabes prefabricadas de concreto postensado con cuatro diafragmas distribuidos uniformemente en su longitud. El ancho total del cuerpo es de 9.70 m., para carga móvil HS-20 en dos líneas de circulación.
La subestructura la conforman péndulos invertidos con cabezales de forma trapecial sobre los que se apoyan las trabes postensadas, columnas oblongas de concreto reforzado y zapatas aisladas de las cuales se desplantan pilotes
colados en sitio de 120 cm de diámetro (ver
3). 3).
Del estudio topohidráulico se tiene que el espacio libre vertical entre las trabes de la superestructura y el es De recomendaciones de mecánica de suelos se adicionaron losas de acceso apoyadas en los terraplenes y estribos extremos del puente.
de 3.90 m.
ESTRUCTURAL El daño sísmico de los puentes puentes es producido producido principalmente principalmente por las deformacione deformacioness laterales excesivas excesivas..
Por lo tanto.
una estimación adecuada de los desplazamientos es de gran importancia para el diseño y el buen comportamiento para este tipo de estruct estructuras uras,, ubicada ubicadass en regione regioness de alta sismici sismicidad. dad.
Para el análisis estructural del puente tipo péndulo invertido, se tomaron en cuenta factores que influyen en el comportamiento
sísmico
de
este
tipo
de
estructuras,
estos
factores
fueron
: l
El efecto de la inercia rotacional de la superestructura que influye de manera importante en el comportamiento sísmico de la estructura en
conjunto.
SU
El período corto El uso de fuerzas sísmicas elásticas Las características estructurales para soportar cargas accidentales La capacidad para disipar energía por comportamiento inelástico.
Para las diversas secciones transversales que se analizarón se consideró un comportamiento elástico empleando el paquete de computadora STAAD-III ( versión 20) basado en el método general de las rigideces. idealizando a la estructura bidimensionalmente mediante barras (ver fig. 4). Se
realizaron
análisis
para
diferentes
condiciones
de
carga
y
sus
combinaciones,
incluyendo
:
a) Cargas permanentes b) Cargas Ca rgas vivas c) Cargas accidentales (sismo viento) d) Hundimientos e) Temperatura Las estructuras se estudiaron en sus distintas combinaciones de carga, considerando los factores de carga establecidos
por
los
Reglamentos
utilizados
en
el
presente
proyecto.
La carga viva que actúa sobre el puente la integran los vehículos en movimiento, en este caso el vehículo de diseño utilizado fue el camión tipo HS-20 definido por las Normas AASHTO y también se revisaron los efectos provocados por un camión camión establecidos por las Normas de la SCT.
Al realizar el análisis se obtuvieron los efectos de las posiciones de vehículos que provocan las
más
desfavorables para los apoyos y las trabes postensadas del puente, así como las envolventes de elementos mecánicos máximos mínimos producidos por las diferentes posiciones de los camiones.
978 97 8
Memoria Memoria
Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
Para tomar en cuenta los efectos de sismo se realizaron análisis estáticos y dinámicos con efectos en dos direcciones
ortogonales. de acuerdo con las condiciones r egionales establecidas por el manual de (1993) las Normas Técnicas de la SCT.
por sismo de la
Resulta importante resaltar que se tomaron en cuenta el momento por cabeceo por aceleración vertical y por inercia rotacional (péndulo invertido). Se realizó un análisis por viento de acuerdo al manual de diseño de no rigen en este caso.
Se ha
comprobándose que los efectos del viento
en todos los análisis numéricos la condición de base rígida y e fectos de inercia rotacional de la
superestructura, ya que estas estructuras tienen una característica importante, la influencia de la masa concentrada
en la parte superior que influye en su comportamiento dinámico, induce movimientos movimientos importantes de cabeceo, los cuales se tomaron en cuenta en el movimtento y respuesta global de la estructura ante excitaciones sísmicas. S e puso énfasis énfasis en la ductilida ductilidadd de los apoyos del puente, puente, los cuales cuales están están constitui constituidos dos por columnas columnas aisladas aisladas oblongas, oblongas,
excepto los estribos, de concreto reforzado, con el objeto de estimar sus demandas de ductilidad dado que estas estructuras son rigidas
tienen una sola línea de defensa (ver
5 y 6).
El modelo elástico empleado es un oscilador con dos grados de libertad con cimentación rígida, la pila está modelada como un oscilador caracterizado por una masa simétricamente distribuida a lo largo de la superestructura. una fuerza restauradora lateral otra otra rota rotaci cion onal al.. Se supus supusóó que la la colum columna na tie tiene ne un elástico. tomando en cuenta la influencia de la inercia rotacional de la superestructura. El de la estructura se estudió a través de dos direcciones perpendiculares entre sí. El modelo es un de dos grados de libertad de modos acoplados (translación y rotación), en el extremo libre de la columna.
La dc las
diseñada para evitar hundimientos diferenciales y absorver posibles daños por socavación, fue diseñada con los resultados obtenidos en la base de la columna del modelo y para todas y cada una de carga consideradas (ver fig. 6).
DISEÑO ESTRUCTURAL Las Normas
utilizadas en el diseño de puentes son en general más estrictas que las que se usan
para para Para
convencionales en las que los efectos de la carga viva presentan menos importancia. caso se utilizaron las Normas
de AASHTO
Association of
Especificaciones Técnicas de la
que se apoyan en especificaciones
Highway and Transportation Offkials).
Las antes mencionadas se complementaron con el Reglamento de Construcciones para el Distrito Fcdcral sus Normas Técnicas Complementarias y el Manual de Diseño de Obras Civiles de la cuando alguno
los requerimientos estipulados por los códigos americanos no fueron aplicables, como sucede en el caso
de
CONCLUSIONES El cl
diseño estructural de puentes elevados (tipo péndulo invertido) debe considerar el dinámico de la influencia de la inercia rotacional, ya que incrementa los elementos mecánicos para de la pila de la cimentación. Las demandas de ductilidad no mostraron ser grandes, y sus máximas no llegaron a ser mayores que el límite de 0.006 H recomendadas por el RCDF-93.
Resulta ya indispensable la emisión de un Reglamento Nacional para el Diseño de Puentes tanto carreteros como urbanos. que se realizan los proyectos considerando Normas y Especificaciones no acorde con las necesidades propias del país.
979 979
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
Los parámetros sísmicos indicados por el Manual de
Sísmico de la
resultan ser demasiado elevados
con lo que las dimensiones de las estructuras diseñadas, en ocasiones, resultan ser excesivas.
Particularmente en este tipo de estructuras, no deben limitarse los estudios y es necesario aplicar recursos parar apoyar los procedimientos teóricos y experimentales en el proceso de diseño que permitan estimar su brindar brindar de esta esta forma forma la segurid seguridad ad que requie requieren ren los usuario usuarioss de estas estas grandes grandes obras obras de ingenie ingenieria. ria.
estabilidad
y
REFERENCIAS ACI 318-89 (1989). “Reglamento de Construcciones de Concreto Reforzado y Comentarios”, IMCYC. la Ed. AASHTO (1992) “Standard
for Highway Highway Bridges Bridges,” ,” 15 15th. th. Ed., Ed.,
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Distrito
Federal.
Febrero.
“Reglamento
de
Construcciones
para
el
Distrito
Federal”, Diario
Oficial
de
la
Federación,
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Noviembre.
980
Agosto.
Mex. Ing
en Estructuras Tipo Péndulo Invertido
Memoria del XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
FIG. 1 .-CROQUIS DE
981
GENERAL
ELEVACION (POR EL EJE DE TRAZO
X
El
X
El
FI GURA
4
MODELO D E
ESTRUCTURAL
Memoria del XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
354 6
Memoria del XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
354 6
A
APOYO TIPO
985
A
INVERTIDO)
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
PLANTA ZAPATA
SECCION DEL PILOTE
CORTE (Z AP AT A)
ESQUEMAS DE 986
Me mo ri a d el
Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver.,
COMPORTAMIENTO SÍSMICO DE COLUMNAS AISLADAS DE CONCRETO REFORZADO DE PUENTES VEHICULARES Héctor Sánchez Sánchez Centro de Investigación Sísmica A.C. Fundación J. Barros Sierra A.C.
Carretera al 203, Col. Héroes de Padiema Tlalpan. 14200 México, D.F.
RESUMEN El trabajo que se presenta reporta resultados numéricos sobre la respuesta sísmica de puentes elevados de concreto
tipo péndulo invertido ubicados en suelo compresible de la Ciudad de México, con el propósito de estudiar el comportamiento no-lineal de la columna, tomando en cuenta el efecto de inercia rotacional (cabeceo de la superestructura) y la influencia de la interacción suelo-estructura. El etapa la estructura se modeló como un oscilador de dos grados una masa distribuida en todo el ancho de la superestructura, en la influencia de la interacción suelo estructura con el de estimar
estudio se desarrolló en dos partes, en la primera de libertad empotrado en su base, caracterizado por segunda etapa se incorporó al modelo de análisis la la respuesta inelástica de este tipo de puentes.
INTRODUCCIÓN La necesidad de dar mas atención a las líneas vitales de sistemas de transporte ha tomado mayor importancia en los
últimos veinticinco años. Fue a partir del sismo de 1971 en San Fernando California, que a los sistemas de transportes
como autopistas
El sismo de San
periféricos se les comenzó a dar mayor atención.
causó graves daños en las estructuras tipo puente, debido al estado del arte en que se
encontraban las especificaciones de códigos y reglamentos. Fue a raíz de los daños observados en estas estructuras
que estas especificaciones fueron corregidas y mejoradas de manera acelerada; sin embargo, los sismos de Loma Prieta en 1989, de Northridge en 1994 y el sismo de 1995 en la Ciudad de Kobe, Japón, causaron nuevos e importantes daños a los sistemas de transportes de esas grandes ciudades. Este panorama pone de manifiesto la necesidad
de
estudiar
de
manera
mas
profunda
el
comportamiento
sísmico
de
puentes.
Dado el creciente incremento de puentes elevados apoyados sobre una columna aislada, en la Ciudad de México así como en la República Mexicana, se propuso estudiar el comportamiento y la respuesta sísmica de puentes elevados de concreto reforzado tipo péndulo invertido. El estudio se ha llevado a cabo en dos partes, en la primera etapa la estructura se ha modelado como un oscilador de
dos grados de libertad empotrado en su base, caracterizado por una masa distribuida en todo el ancho de la superestructura, considerando un sistema Del V all e, 1996). En la
de
modos
acoplados
rotación
y
translación
de
la
estructura
(Sánchez, 1996,
segunda etapa se incorporó al modelo la influencia de la interacción suelo estructura con el fin de estimar la respuesta inelástica de este tipo de puentes, comparando de esta manera los
resultados de los dos casos analizados. Los análisis no-lineales paso a paso han sido posibles gracias a la utilización del programa de análisis DRAIN-2DX empleando para ello registros de diferentes tipos de al.
terreno (firme, transición y compresible) de sismos reales ocurridos en la costa del Pacifico Mexicano, además de registros
sintéticos.
Características de puentes urbanos. Se ha visto que el daño sísmico en los puentes es producido principalmente por las deformaciones laterales excesivas. En consecuencia, una estimación adecuada de los desplazamientos es recomendable para el diseño y el buen comportamiento de este tipo de estructuras.
En este estudio sobre puentes urbanos (t ipo péndulo invertido), se tomaron en cuenta factores que influyen en el comportamiento sísmico de este tipo de estructura, los cuales son:
987
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
El efecto de la inercia rotacional de la superestructura J influye de manera importante dentro del comportamiento sísmico de las estructuras tipo péndulo invertido (cabeceo de la superestructura). El comportamiento no-lineal que caracteriza a las estructuras de periodo corto, como lo son los puentes urbanos l
l
de concreto; esto obliga a estimar las deformaciones laterales de manera mas precisa. Ya que el utilizar fuerzas elásticas para calcular las deformaciones máximas como se recomienda generalmente en los códigos, supone que
los desplazamientos máximos de sistemas lineales y no-lineales son los mismos; estas consideraciones son válidas si las estructuras son de periodo largo, además de estar situadas en terreno firme. El efecto de la interacción suelo-estructura. La interacción dinámica suelo-estructura consiste en un conjunto de l
efectos cinemáticos e inerciales producidos en la estructura y el suelo como resultado de la flexibilidad de éste ante solicitaciones dinámicas. Por tanto, la interacción suelo-estructura modifica esencialmente los parámetros dinámicos de la estructura (periodo de vibración del terreno en la vecindad de la cimentación.
y
amortiguamiento),
así
como
las
características
del
movimiento
ESTRUCTURAS ESTUDIADAS Para realizar esta investigación se seleccionaron estructuras reales de puentes apoyados sobre una columna aislada de concreto reforzado cimentados en suelo blando característico de la Ciudad de México, tipo péndulo invertido (ver fígs 1 y con el fin de estudiar su comportamiento sísmico. Para el modelado numérico se tomaron a
en
cuenta
los
siguientes
parámetros
de
influencia:
La inercia rotacional J de la superestructura (cabeceo)
b Altura L c Masa
d Rigidez e
Interacción suelo-estructura
ELEVACION
Figura 1. Estructura (Tipo Péndulo Invertido) La tabla 1 muestra las características geométricas de las estructuras, y en la tabla 2 se muestra el detalle de refuerzo de las columnas. Tabla 1
Características de las estructuras
Estructura
II
1.00 .oo
III
0.95
Memoria del XI Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México. 1997
1690m
Figura 2. Cimentación de la estructura Tabla 2 Detalles de refuerzo de las columnas Resistencia
300
de
los
materiales
4200
4200
3. 48
MODELOS DE ANÁLISIS El movimiento del terreno durante un sismo introduce energía en las estructuras que sobre él se desplantan, y esta energía debe ser disipada por las vibraciones de dicha estructura. La vibración que se induce y las solicitaciones que
por ello se generan depende de la intensidad y características del movimiento del terreno. Por tanto una estructura puede disipar la energía introducida por un sismo a través de vibraciones en su intervalo de comportamiento elástico inelástico.
Estructura con cimentación rígida. Para tomar en cuenta la influencia de la inercia rotacional
(cabeceo de la
superestructura) dentro del comportamiento global de la estructura tipo péndulo invertido, se ha empleado un modelo
elástico con base rígida, el cual consiste en un oscilador con dos grados de libertad. La estructura esta modelada como un oscilador caracterizado por una masa simétricamente distribuida a lo largo de la superestructura (ver fig. además de una fuerza restauradora lateral y otra rotacional ( Sánc he z , 199 6) .
Figura 3 Modelo mecánico de análisis (cimentación rigida) Estructura con cimentación flexible. Es común que el análisis de interacción suelo-estructura se realice sustituyendo el suelo por resortes estáticos así como amortiguadores viscosos (ver cuyos valores se definen dé modo que la respuesta estacionaría se ajuste a soluciones exactas para un amplio rango de frecuencias. Este criterio
98 9
se puede mejorar al incorporar en la rigidez y amortiguamiento del suelo la influencia de la frecuencia de excitación,
así como la estratigrafía del sitio y la profundidad de la cimentación. Una manera eficiente de tratar estos aspectos consiste en remplazar los parámetros mencionados por rigideces dinámicas ó funciones de impedancia para cimentaciones embebidas en depósitos estratificados. Como se sabe, los efectos de la interacción suelo-estructura considerados en el
son debidos a la interacción
inercial, esto es, el alargamiento del periodo y la modificación del amortiguamiento correspondientes al modo fundamental de vibración de la estructura supuesta con base rígida. Por tanto. para fines de aplicación práctica es necesario conocer el periodo y el amortiguamiento efectivos de la estructura con base flexible, teniendo en cuenta los
parámetros
característicos
que
controlan
el
efecto
de
interacción.
CG
Modelo de análisis con interacción suelo-estructura
Como
parte
del
análisis
de
interacción
suelo-estructura
llevado
a
cabo
en
esta
investigación,
se
determinó
el
periodo
y el amortiguamiento efectivos de la estructura interactuando con el suelo. La estimación del periodo amortiguamiento efectivos del sistema se obtuvieron mediante iteraciones en la frecuencia, partiendo de las rigideces estáticas según y llegando a obtener finalmente las rigideces dinámicas (K, = rigidez lateral y rigidez de rotación de la cimentación), empleando para ello un método propuesto por Avilés (Avi l é s et al , 93
para el caso de Cimentaciones con pilotes se siguieron las recomendaciones propuestas en el reglamento (N TC-93, Diseñ o por sismo).
Características del sistema suelo-estructura. Las estructuras se modelaron como un oscilado r con base rígida base flexible. Se consideró la masa de la superestructura distribuida en todo el ancho del cabezal. con el fin de tomar en cuenta el efecto de la inercia rotacional de la superestructura, considerando un amortiguamiento en la estructura.
del orden del 5% del crítico. Se consideró que las estructuras se apoyan sobre una cimentación superficial infinitamente rígida con dos grados de libertad, uno de translación y otro de cabeceo. Se supone que la cimentación
esta desplantada en un depósito de suelo con base indeformable y estratificado horizontalmente con base indeformable. Se considera que la estructura responde esencialmente como un oscilador de un grado de libertad de
base rígida, y el depósito del suelo estratificado se comporta como un manto homogéneo, de esta forma el sistema suelo-estructura se reemplaza por un sistema equivalente (ver donde la estructura y estrato representan elementos
equivalentes.
Este
modelo
de
interacción
se
puede
aplicar
como
una
aproximación
unimodal,
remplazando
a la masa, la rigidez, el amortiguamiento y la altura del oscilador por parámetros modales equivalentes de la estructura. En consecuencia, Me, Ke y Ce, deben representar respectivamente la masa. la rigidez y el amortiguamiento efectivos de la estructura supuesta con base rígida en su modo fundamental, He como la altura al centroide de las fuerzas de inercia correspondientes, y D la de desplante del cajón de cimentación.
Expresiones del periodo
el amortiguamiento efectivos del sistema suelo-estructura:
990
donde: = el periodo natural de la estructura con base rígida, = es el periodo natura1 que tendría la estructura con base rígida y si su base se pudiera trasladar,
si su base pudiera girar,
= es el periodo natura1 que tendría la estructura con base rígida y
= rigidez lateral de la cimentación; K = rigidez de rotación de la cimentación.
En la figura 5 se muestra el modelo equivalente con interacción suelo estructura, que fue utilizado para realizar los análisis no-lineales considerando diferentes condiciones de cimentación (suelo-estructura, suelo-pilotes-estructura).
Estos análisis se llevaron a cabo mediante el empleo del programa DRAIN-2DX el al, 1992). En nuestro modelo de análisis, además de considerar el efecto de interacción s-e, se incluyó el efecto de cabeceo de la superestructura (ver
4) .
ELEVACION
Figura 5. Modelo equivalente de análisis con interacción suelo-estructura REGISTROS
EMPLEADOS
Registros sísmicos. Para los análisis paso a paso, se empleó el registro sísmico del sismo del 19 de septiembre de 1985 ocurrido en las costas de Michoacán, el cual fue escalado en el tiempo. Las estructuras fueron analizadas con estos registros, obteniendo diferentes respuestas en función de sus parámetros dinámicos (ver tabla 3). El objetivo de haber escalado en el el acelerograma de SCT, fue para producir condiciones cercanas a la resonancia, ó a las condiciones más severas.
991
Me mo ri a de l XI Co ng re so Na ci on al de Ing en ie ría Sí smi ca , Ve ra cr uz , Ve r.,
1997
En la tabla 5 se presentan y compararan, los valores obtenidos del el periodo efectivo de sistema suelo-estructura al s, así como también los resultados aplicar el método propuesto por Avi l é obtenidos de los análisis
realizados con el programa empleando para ello las rigideces dinámicas cimentación y = rigidez de rotación de la cimentación.
= rigidez lateral de la
Modelo s-e (c. flexible, = 0.5726 seg). En las figuras 6.b y se muestran las historias de cortantes distorsiones H , y las curvas de histéresis de estructura modelada con cajón de cimentación-suelo sin pilotes, considerando dos valores de amortiguamiento del sistema = = 22.1%. De las curvas se observa un comportamiento elástico con la misma rigidez, sin embargo, el efecto del amortiguamiento en la respuesta de la estructura es significativo.
20
Tiempo
30
Tiempo t
t
Figura 6.b
Figura 6.a
Modelos pf (c. flexible, = 0.5425 seg) y 1. pp (c. flexible, = 0.44982 seg). Las figuras 7.b y (historias de cortante de distorsiones y curvas de histéresis H) muestran el comportamiento de la estructura, modelada con pilotes de fricción (línea punteada) y con pilotes de punta (línea continua). Dadas las dos
condiciones de apoyo en la cimentación, se observa como es de esperar, una mayor rigidez en el comportamiento global de la estructura para el caso de la cimentación con pilotes de punta respecto a la cimentación con pilotes de punto para la misma excitación debido a una mayor restricción del cajón al giro, además de una reducción en el pe ri od o fu ndam enta l de vi br ac ió n.
5
Tiempo t
Tiempo t
Figura
Figura 7.b
7.a 1. 0
-1.0
Figura
99 3
7.c
De los resultados obtenidos en la investigación se observó que el efecto de la interacción suelo-estructura
ocasiona
modificaciones de la respuesta dinámica. El giro, que la deformación del suelo permite a la base de la estructura, reduce la rigidez efectiva de está y da lugar por lo tanto, a un aumento en su periodo. Esto lleva a que la ordenada espectral que corresponde a la estructura es distinta de la que se tendría si no se considera la interacción. Este giro,
por otra parte, hace que el desplazamiento total de la estructura sea mayor que el determinado considerando una estructura empotrada en su base, esto podría influir en los efectos de segundo orden sobre la estructura y en los desplazamientos laterales los cuales se incrementan. El amortiguamiento de la vibración de la estructura que se tiene por la modificación del movimiento del suelo y por la radiación de las ondas reflejadas por la estructura, representa una fuente adicional de disipación de energía que reduce la respuesta de la estructura, ya que las deformaciones que ésta tiene que sufrir para disipar la energía del sismo son menores que si no existiera la interacción. El efecto neto de la interacción suelo-estructura es prácticamente en todos los casos, una reducción en las fuerzas que se inducen en la estructura. En la tabla 6 se resumen los resultados obtenidos de las estructuras analizadas.
Se observó una disminución en la influencia de la inercia rotacional (cabeceo de la superestructura) al considerar simultáneamente el efecto de la interacción suelo-estructura, tendiendo a modificar su comportamiento como un cuerpo rígido, dado que la relación decreció en un 50% respecto al caso de la cimentación rígida (Sánchez et al., 1995,
Sánc he z, 1996 ).
Los resultados también indican que aunque en la mayoría de los casos el efecto de la interacción suelo-estructura, produce un incremento del desplazamiento máximo , este efecto no es muy significativo y no se ve reflejado en la
demanda
de
ductilidad,
la
cual
permanece
sin
afectarse
significativamente.
AGRADECIMIENTOS
El autor desea agradecer al Ingeniero Enrique Del Valle por sus valiosas sugerencias e importantes observaciones hechas a esta investigación, Este trabajo fue patrocinado por la Secretaría General de Obras del Departamento del Distrito
Federal.
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Sociedad
Mexicana
de
Ingeniería
Sísmica,
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996
Me mo ri a de l XI Co ng re so Na ci on al de Ing en ier ía Sí sm ic a, Ve rac ru z, Ve r., Mé xi co , 19 97
COMPORTAMIENTO SISMICO DE PUENTES CON APOYOS ELASTOMERICOS 0. García A. G. Ayala*, U. Mena 1 División de Estudios de Posgrado,
de Ingenieria, UNAM
Edilicio A, Sección de Estructuras, Cd. Universitaria, 622-30-29 2 Instituto de Ingenieria, UNAM, Edificio 2, Cd. Universitaria Apdo México D.F. 04510, tel. 622-3466
RESUMEN Se
estudia
la
influencia
de
los
apoyos
elastoméricos
sobre
el
comportamiento
no
lineal
de
modelos
estructurales
de
puentes de concreto, incluyendo el efecto de la carga viva aplicada excéntricamente a la calzada. Los resultados obtenidos se comparan con la respuesta estructural a partir de modelos lineales y se proporcionan las conclusiones y recomendaciones más relevantes del estudio.
INTRODUCCIÓN Recientemente, el uso de sistemas de protección sísmica (aislamiento y disipación) se ha intensificado por representar una solución efectiva a un amplio rango de problemas de sísmico de estructuras, incluyendose las de puentes, lo cual se manifiesta en la abundancia de literatura especializada en el sísmico de puentes que reporta diversos métodos para reducir los efectos de los sismos en las superestructuras. Aun cuando los puentes son estructuras de gran importancia, en general, su análisis y
sísmico en México se
caracteriza por la falta de una practica establecida originada principalmente por la carencia de una normatividad propia [ ref. recurriéndose generalmente a otras normas como la AASTHO [ ref. 6 o bien a la adaptación de las propuestas para edificios. En la de los casos se emplean métodos estáticos de que consideran fuerzas laterales aplicadas en la punta de la pilas e iguales a una fracción del peso de la superestructura. Esto conduce a que existan diferencias en los valores de dichas adoptados por diferentes pr oy ec ti st as .
Actualmente, la disponibilidad de computadoras de gran capacidad permite realizar análisis dinámicos de grandes estructuras de manera mas precisa, aunque existen algunos aspectos que todavía son de tomar en cuenta en la respuesta sísmica de puentes como son: movimientos diferentes o fuera de fase y la no linealidad introducida por la perdida de entre otros.
En su intento por reducir los efectos sísmicos en estructuras, los métodos de han pasado por diferentes etapas, sin embargo la mayoría de ellos tratan de proporcionar suficiente resistencia para contener las laterales inducidas dinámicamente, manteniendo el en niveles aceptables. Las nuevas metodologías de con esta filosofa pero han incorporado explícitamente conceptos nuevos como ductilidad, estabilidad
y
disipación
de
energía
bajo
carga
cíclica.
Otra de las tendencias de las investigaciones recientes ha enfocado su atención en el desarrollo de dispositivos que se incorporan a la estructura para reducir su respuesta, modificando sus propiedades dinámicas y en algunos casos
incrementando su capacidad de disipación de energía. Esto es lo que se ha denominado sistemas de aislamiento sísmico o sistemas de control pasivo, y consisten esencialmente en dispositivos colocados entre la estructura y la cimentación que incrementan la flexibilidad del sistema y proporcionan un nivel de amortiguamiento adecuado que limita las deformaciones excesivas.
997
Sociedad
de
Sísmica, A.C.
Con base en lo anterior, este trabajo presenta una revisión del uso de los elastómeros como sistemas de aislamiento
sísmico en modelos de puentes, discutiendose sus características y propiedades mecánicas de acuerdo a su composición y tipo de refuerzo que contengan. Adicionalmente, se realiza un estudio de la respuesta sísmica estructural de puentes de concreto de mediana envergadura, utilizando apoyos elastoméricos como sistema de aislamiento entre las pilas y la superestructura, ya que además de ser utilizados tradicionalmente como
para una transmisión adecuada de fuerzas de la superestructura a las pilas
dispositivos
estribos, poseen un bajo costo de
fabricación y mantenimiento, comparados con otros dispositivos de aislamiento y excelentes propiedades dinámicas.
CARACTERISTICAS DE LOS APOYOS ELASTOMERICOS Los apoyos se fabrican bkicamente de hule natural o sintético ( cloropreno y se utilizan principalmente en estructuras de puentes para acomodar movimientos provocados por flujo plástico y expansión térmica. En la construcción con concreto
sirven como apoyos de asiento que proveen de un superficie uniforme para los
miembros estructurales, absorbiendo los movimientos y desalineamientos de fabricación, ref. 4 A pesar de que su uso se ha incrementado rápidamente en los últimos su comportamiento aun es complejo para los ingenieros, debido a las diferentes propiedades mecánicas de los materiales utilizados por los fabricantes, las cuales pueden permitir grandes deformaciones.
Un apoyo elastomético común de un puente consta de una serie de capas de hule horizontales vulcanizadas con laminas de acero, como se muestra esquemáticamente en la tig. 1. La capacidad de carga de un apoyo se incrementa
substancialmente al disminuir las deformaciones laterales producto de la misma carga vertical, y esto se logra reduciendo el espesor de cada capa de hule con placas de acero. Por otro lado, la resistencia ante movimientos horizontales y rotacionales se reduce al incrementar la altura total del apoyo.
Aunque los elastómeros son materiales altamente no lineales, el y el de los apoyos se realiza elásticamente, [ ref. 4 Esta suposición no es correcta, pero su uso es fácil y proporciona una aproximación adecuada para un amplio rango de aplicaciones. Para el diseño de un apoyo es necesario conocer el módulo de elasticidad E, el modulo de cortante G y un valor aproximado de la relación de Poisson v. Algunos valores utilizados son: y
Apoyos elastoméricos simple a) y reforzado b).
Ingenierilmente, los elastómeros se especifican por su dureza, ya que es una propiedad fácil de medir y puede ser correlacionada nominalmente con otras propiedades como son el modulo de cortante y de compresión. De pruebas de laboratorio, se tiene que el modulo de elasticidad se incrementa con la dureza, pero aún así es pequeño comparado con otros materiales ingenieriles, (tabla 1) Tabla
1
Propiedades
Módulo de 60 70
23.5 37.7 63.2
aproximadas
de
los
elastómeros
cortante 6.1 10.2 14.3
0.75 0.60 0.55
Memo ri a de l
Congreso Nacional de Ingeniería
Respuesta dinámica. En un elastómero siempre existe un tiempo de retraso entre la aplicación del esfuerzo y la aparición de las deformaciones resultantes. Este fenómeno, conocido como histéresis, es despreciable bajo cargas estáticas, pero muy
importante bajo cargas resultante
Por ejemplo, si el esfuerzo aplicado es senoidal en el tiempo, la deformación
variara senoidalmente con el tiempo, habiendo un defasamiento entre el esfuerzo y la respuesta.
En términos generales, la respuesta dinámica de un elastómero depende de la frecuencia en la aplicación del esfuerzo y de la temperatura. Cuando la temperatura disminuye, la respuesta del apoyo es lenta, esto mismo sucede cuando la frecuencia en la aplicación del esfuerzo es muy grande.
CONSIDERACIONES GENERALES Para obtener un mejor conocimiento de la respuesta de los puentes de concreto ante sismos intensos, conviene definir tres tipos de respuesta de los puentes ante excitaciones sísmicas de acuerdo a la amplitud: de baja amplitud,
de amplitud moderada y de gran amplitud [ ref. 9 Cuando la respuesta de los puentes ante excitaciones sísmicas es de baja amplitud, los elementos estructurales no incursionan en el rango de comportamiento inelástico, por lo que es posible aplicar las hipótesis que adopta el análisis modal espectral. Para la mayoría de los puentes que se han
proyectado en México, es una práctica común considerar que su comportamiento es elástico lineal. Si la respuesta de los puentes ante excitaciones sísmicas es de amplitud moderada, alguno(s) de sus miembros estructurales incursiona(n) en el rango de comportamiento no lineal, por lo que la hipótesis de linealidad, que valida el principio de superposición, deja de ser aplicable. Si la respuesta que induce el sismo es de gran amplitud, se encuentra que los desplazamientos correspondientes son comparables a las dimensiones de los elementos estructurales, produciéndose así comportamiento no lineal de tipo geométrico. Este caso no es de interés practico, puesto que niveles de desplazamiento no son admisibles en el de puentes.
El disefio de los apoyos elastoméricos utilizados en los modelos de puentes, se realizó con base en dos de los métodos mas comunes en la actualidad, el que propone las normas AASTHO ref. 6 por ser el de mayor aplicación y el que indica el código británico, ref. 2 por considerarse mas completo desde el punto de vi sta de disefio de apoyos elastoméricos.
CASOS ESTUDIADOS Los puentes seleccionados para este trabajo, están formados por elementos de concreto comúnmente utilizados en
nuestro medio para este tipo de estructuras, como pilas y vigas huecas, empleadas para cubrir claros medianos. A se presenta una descripción de las características geométricas y estructurales de los puentes mencionados:
a) El primer puente seleccionado es una estructura de tres claros continuos con vigas de sección cajón (puente ATC, fig.2 cuyas dimensiones y propiedades de los elementos se muestran en la tabla 2. Este puente se obtuvo de las especificaciones de la AASHTO [ref. como un ejemplo que intenta ilustrar las aplicaciones de las normas,
b) El segundo puente es un paso a desnivel para vehículos que fue construido recientemente en la Cd. de Toluca, de México (puente 5 de Mayo, fig. 3). Las dimensiones y propiedades del puente se muestran en la tabla 3. El propósito de incluir este puente, se debe a que forma parte de las muchas estructuras de este tipo construidas en nuestro país en las que es común ignorar los efectos sísmicos. uno lineal y otro
Para conocer la respuesta sísmica de los puentes seleccionados, se realizaron dos tipos de
no lineal. En ambos se utilizaron las tres componentes del registro de Zacatula, Gro, del sismo de septiembre de 1985, 1
lo
cual
.-Análisis
proporciona
modal
resultados
mas
completos
sobre
el
comportamiento
sísmico
esperado
de
los
modelos.
espectral. Este análisis permite además obtener los modos fundamentales de vibrar y determina r
si la respuesta elástica de los puentes esta gobernada
por el primer modo de vibrar, lo que
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.
generalmente no ocurre aunque lo proponen algunos reglamentos de seleccionado para realizar los
lineales
2. no lineal paso a paso. Este no fue para sismo y el otro acepta programa seleccionado para esta tarea fue lineal de puentes, [ref
Cabe mencionar que el
y
sísmico. El programa
3 se considero de importancia, ya que uno de los puentes seleccionados y por tanto comportamiento no lineal, ante excitación intensa. El el cual fue expresamente desarrollado para realizar no
sísmico de puentes en el país, generalmente se realiza considerando solo las
componentes horizontales de la por lo cual, se consideró de el la componente vertical dentro del y evaluar su efecto en la respuesta. Al respecto, se seleccionaron los registros de Zacatula por ser un sitio cercano al epicentro del sismo del 1985, cuya componente vertical es comparable con las horizontales.
Fig. 3. Puente 5 de Mayo. Tabla 3. Propiedades de los elementos estructurales del puente 5 de Mayo. ..........
1
5.58
2
6.39
3
7.28
4
3.14
. .. ...
0.77
33.963
3 e9
1.154 e9
1.616 e3
1.151
38.545
3 e9
1.154 e9
1.851 e3
12.505
52.964
2.372 e9
9.123 e8
2.108 e3
1.571
0.785
2.372 e9
9.123 e8
9.098 e2
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
Tabla 4.
1
2 3
4 6 7 8 9 10
ll 12 13 14 15
de
3.228 1.612 1.256 0.881 0.567 0.250 0.207 0.188 0.182 0.130 0.108 0.092 0.075 0.071 0.069
1.797
1.613 1.353 1.251
0.890 0.881 0.480 0.243 0.228 0.188 0.182 0.130 0.124 0.092 0.080
del puente ATC.
0.53403 0.45435 0.38711 0.3 1888 0.3 1335
0.28592 0.15834 0.15474 0.10431 0.10145 0.09716 0.095 16
0.08665 0.08293 0.07280
0.62716 0.50609 0.49480 0.38689 0.38592 0.33350 0.33277 0.33003 0.16540 0.12932 0.11716 0.10299 0.09527 0.093 14 0.08804
Un comportamiento similar se observa en los desplazamientos verticales de las figs. 6 y 7, donde se obtienen los valores para el caso de los modelos analizados elásticamente. Es evidente que los mayores desplazamientos se presentan a mitad de los claros. Es importante mencionar que todos los casos analizados, el desplazamiento en dirección longitudinal calculado en los nudos es aproximadamente con 10 que se confirma que las trabes que la calzada de un puente tienen gran rigidez, misma que se proporciona generalmente por especificaciones de reglamentos que intentan mantener a este tipo de elementos dentro de un rango de comportamiento elástico. Si se revisan los desplazamientos laterales presentados en las 8 y 9, podemos que para los realizados con ocurre un movimiento uniforme de la calzada del puente, que asemeja a un movimiento de cuerpo esto es, los desplazamientos relativos entre nudos son despreciables y por 10 tanto también disminuyen los elementos mecánicos correspondientes en la estructura. Sin embargo, en los apoyos de los puentes, sí se presentan desplazamientos apreciables debido a la flexibilidad que proporcionan los apoyos elastoméricos a la estructura. Este desplazamiento en los extremos no excede la deformación permitida en los apoyos ( 0.5 T para que su comportamiento se encuentre dentro del elástico, esto es importante para evitar que el apoyo pueda por fatiga, ref. 5
r
Fig. 4 Desplazamientos máximos longitudinales ATC
Fig. 5 Desplazamientos máximos longitudinales del puente 5 de Mayo.
1002
Sociedad Mex icana de Ingeniería Sísmica, A.C.
En las fig.lO, se presentan los desplazamientos laterales máximos absolutos que ocurren en el extremo superior de una de las pilas de ambos puentes. Se observa que los desplazamientos mayores corresponden a los modelos analizados ( al
Mayo lo cual conduce a que también las fuerzas en los elementos estructurales respecto a los resultados obtenidos de NEABS, sean mayores. Estos resultados son congruentes con los obtenidos en la calzada de los modelos.
Al revisar los resultados para los elementos mecánicos, [ ref 7 se observa de manera generalizada una disminución en los elementos mecánicos obtenidos de los que consideran apoyos elastoméricos, hasta de 50 %, lo que es reflejo de los desplazamientos en la estructura. Cabe mencionar que para todos los casos, estos resultados fueron mayores para los análisis elásticos realizados con incluyendo las fuerzas
sobre
los
elementos
utilizados
para
modelar
los
apoyos
elastoméricos.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. El uso cotidiano de apoyos
en puentes en nuestro país, hace necesario un mayor conocimiento
de sus propiedades y comportamiento ante solicitaciones sísmicas, ya que existen grandes zonas de alto riesgo en este sentido. De esta manera, se hacer un uso racional y provechoso de las características de los elastómeros, dado que su utilización esta en aumento hoy en día debido a los bajos costos de fabricación, en relación con el beneficio que producen.
Es importante mencionar, que a pesar de que una de las herramientas de utilizadas en este trabajo, no es de uso cotidiano en la práctica común, es altamente recomendable poderla aplicar, tanto para la revisión de puentes tipo 6 de grandes dimensiones, así como para la verificación de sísmico de puentes.
modificación de normas
Con base en los resultados analíticos obtenidos en este trabajo para los puentes ATC y 5 de Mayo utilizando
apoyos elastoméricos, se encontraron algunos aspectos relevantes que se mencionan a continuación y se complementan con algunas recomendaciones, producto del análisis detallado de resultados y en parte obtenidas
por
la
experiencia
adquirida
durante
el
desarrollo
del
estudio.
1. De la revisión bibliográfica realizada sobre sistemas de aislamiento sísmico se encontró que los apoyos elastoméricos laminados son los sistemas que mejor se adaptan a los puentes, esto principalmente por el
buen comportamiento bajo cambios de temperatura, flujo plástico, y sobre todo ante cargas dinámicas. Así mismo, desde el punto de vista económico su costo de fabricación, instalación y mantenimiento es bajo comparado con otros
sistemas
de
aislamiento
sísmico.
de los apoyos elastoméricos se llevó a cabo mediante las normas AASTHO y mediante el 2. El Código Los diseños obtenidos indican que las normas AASTHO son mas conservadoras y menos específicas que las británicas, sin em bargo, los resultados indicaron que sus variaciones no son significativas para fines de Por lo tanto podemos decir que la utilización de ambos reglamentos satisface
los requisitos mínimos y dinámicas.
para
el
buen
comportamiento
de
apoyos
elastoméricos
bajo
solicitaciones
3. De los análisis dinámicos realizados es este trabajo se observó que ninguno de los elementos de los puentes incursionaron dentro del rango inelástico, lo cual coincide con los resultados obtenidos en la ref.
9, por lo que se puede decir que se mantiene la práctica de
los elementos estructurales de
pu en te s, pr in ci pa lm en te la s tr ab es de la su pe re st ru ct ur a. Es to s mi sm os re su lt ad os ta mb ié n se pr es en ta ro n
para los apoyos elastoméricos que aunque experimentaron desplazamientos grandes en los estribos no excedieron
las
deformaciones
elásticas
límite,
propuestas
por
los
reglamentos.
Me mo ri a
4. La
Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ve r., Méxi co. 1997
de los apoyos elastomtricos redujo de manera importante la respuesta sísmica de la
estructura de los puentes estudiados, lo cual fue conseguido por la flexibilidad proporcionada por los apoyos. La reducción en la respuesta fue evidente para el caso del puente ATC, lo que indica que la influencia de los apoyos cambia para diferentes estructuraciones. 5.
El uso de apoyos
en los puentes estudiados ocasionó que se presentaran desplazamientos en
la superestructura similares a los experimentados por un cuerpo esto es, se obtuvieron desplazamientos relativos muy entre los nudos o extremos de las trabes, reduciendo los elementos mecánicos resultantes. 6.
La presencia de desplazamientos relativos apreciables en los extremos de las vigas de los puentes, sugiere
que deben proporcionarse dispositivos adicionales que los controlen y los mantengan bajo niveles aceptables de servicio, ya que de lo contrario se puede presentar riesgo de inestabilidad. Estos dispositivos deben tomar en cuenta el numero y la distribución de apoyos elastoméricos sobre las pilas o estribos. 7. Para el
y la
de puentes importantes, ya sea puentes tipo o de grandes dimensiones es
altamente recomendable considerar las tres componentes de la excitación, debido a que en estas estructuras puede presentarse un acoplamiento de modos superiores en cualquier
8. Los resultados muestran que el comportamiento de las estructuras es altamente variable a las características empleadas en la de los apoyos tanto en claros intermedios como en la de la superestructura con los extremos. Es decir, el grado de exactitud que se tenga en la definición de las propiedades de los elastómeros y las condiciones de restricción del puente en las pilas o estribos, es un factor determinante en la variación de la respuesta estructural. 9.
Debido a los importantes desplazamientos en los extremos de las vigas, sería deseable que se incluyera un balance razonable entre las fuerzas cortantes en los apoyos y las tolerancias de los desplazamientos. Esta observación se basa en los resultados obtenidos de la fuerza cortante con los valores de
10. De los resultados obtenidos en este trabajo, se encontró que los modales espectrales proporcionan resultados conservadores, y no reflejan en buena medida el comportamiento real de puentes sujetos a solicitaciones sísmicas por lo cual sería deseable usar herramientas de que permitan evaluar directamente la respuesta de estas estructuras. Lo anterior concuerda con las recomendaciones de la
AASHTO, las cuales proponen realizar un de historia en el tiempo y no un análisis modal espectral. En la actualidad, la cada vez mas creciente utilización de equipos de cómputo de alto rendimiento hace factible llevar a cabo análisis más refinados, los cuales pueden servir de base para la verificación de normas y reglamentos que empleamos hoy en día.
ll. Del análisis de resultados se puede decir que, en este caso, no es posible que se presente el fenómeno de
fatiga en los elastómeros, ya que si bien sus desplazamientos laterales fueron significativos, no sobrepasaron las deformaciones permisibles que indican los reglamentos.
12. Los resultados obtenidos para los modelos de estructuras de puentes que se estudiaron en este trabajo, muestran de manera generalizada que el efecto que puedan ocasionar los modos superiores es importante, ya que sus valores de periodo son comparables con el del periodo fundamental. Por lo tanto podemos decir que el comportamiento de un puente es complejo y diferente al de otro tipo de estructuras como edificios regulares, en los cuales su comportamiento depende básicamente del periodo fundamental, por lo que, en el análisis dinámico de puentes es importante considerar un buen número de modos de vibrar que permita definir de mejor manera su respuesta estructural. 13. Para el análisis sísmico de puentes algunos reglamentos, como la AASH’TO permiten considerar o no el efecto de la carga viva sobre la calzada. En la actualidad este aspecto cobra mayor importancia cada día, ya que el incremento en el tráfico de vehículos sobre las autopista y particularmente sobre los puentes,
Ingeniería Sísmica, A.C.
aumenta la probabilidad de que cuando ocurra un sismo, la carga viva actuante sea considerable y por lo tanto los efectos sobre la estructura. De los resultados obtenidos en este estudio se observó que la carga
viva no puede manejarse de manera opcional, al menos en análisis sísmicos de puentes medianos y grandes ( con evidencia de trafico elevado ya que incrementan apreciablemente los elementos mecánicos en la estructura, y los propuestos pueden ser rebasados por las solicitaciones resultantes.
14. Para investigaciones posteriores se propone realizar estudios con modelos de puentes, en los cuales se varie el numero y longitud de claros, la altura de las pilas y otras características de los elementos estructurales REFERENCIAS.
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1006
del
de Ingeniería
Veracruz,
DISEÑO SÍSMICO DE PUENTES V. R.
y E.
Instituto de Ingeniería, UNAM Ciudad Universitaria, Coyoacán, México D.F.
RESUMEN Este artículo proporciona un panorama actual del estado del arte en el diseño sísmico de puentes y propone parámetros para el análisis, diseño y detallado sísmico de puentes urbanos en la República Mexicana, particularmente en la Ciudad de México. Se analizan las alternativas que presentan ocho reglamentos o manuales vigentes, entre los cuales se encuentra el de la Comisión Federal de Electricidad, que es el único editado en México
que contempla explícitamente el diseño sísmico de puentes, y el Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal.
INTRODUCCIÓN La ingeniería de puentes ha tenido una evolución vertiginosa desde la revolución industrial hasta nuestros días , lo
cual se ha venido manifestando en el tamaño e importancia y en la cantidad y calidad de los materiales a utilizar. La ingeniería sísmica comenzó propiamente a principios de la década de 1930, al tener ya una manera confiable de medir los sismos y al comprender que la fuerza lateral producida por los mismos está en función de la masa de la estructura y la altura a que ésta se encuentra. En la actualidad existen varios manuales y códigos que reglamentan el
diseño de puentes ante cargas sísmicas, aunque sólo uno para la República Mexicana el cual está pensado para puentes carreteros. Debido a que la ciudad de México no cuenta con una norma específica para el diseño de puentes, es común realizar el diseño de éstos utilizando el Reglamento de Construcciones para el Distrito
Federal (RCDF- 1993) y sus Normas Técnicas Complementarias, los cuales están elaborados para asegurar el correcto funcionamiento de estructuras de uso habitacional, de servicios o industrial, ante cargas permanentes, variables y accidentales, y cuyo espectro de diseño está basado en las redundancias, amortiguamientos y sobrerresistencia típicas de este tipo de estructuras, características que para puentes pueden diferir significativamente. Entre los reglamentos internacionales analizados están las versiones LR FD -1 99 4 y St an da rd -1 99 6, ambos vigentes, de las Especificaciones para Puentes Carreteros elaboradas por la Association and (AASHTO). Otro de los reglamentos estudiados es el Eurocódigo 8 Parte 2 Puentes 1994 Transportation
(Eurocódigo que consiste en una serie de prenormas emitidas en 1994 bajo el auspicio de la Comunidad Económica Europea con el de normalizar el criterio de diseño estructural en sus países miembros y tendrá carácter oficial hasta el año 1998. Se analizaron además las Especificaciones para Puentes Carreteros Parte V de Japón
y el Manual de Puentes de Nueva Zelanda (NZ-
que incluyen las últimas modificaciones y
aportaciones en la materia; así como el Criterio de Diseño Sísmico Mejorado para Puentes de California: Recomendaciones Provisionales (1996) emitido por el (ATC 32). En este artículo las propuestas
hechas
se
identificarán
con
la
leyenda
“Propuesta”.
La evaluación de los diferentes reglamentos, debe realizarse en su conjunto y no por partes, ya que éstos han evolucionado de manera independiente en cada país (Rodríguez y col, 1997). La determinación de las fuerzas de diseño por medio de factores de importancia, de zona y de sitio, y de coeficientes sísmicos (que provienen de espectros de diseño empíricos, los que a su vez dependen de las condiciones del suelo, la sobrerresistencia de la estructura, el tipo de construcción, los materiales empleados, y sobre todo del comportamiento observado en las estructuras en sismos pasados), son propias de cada país, y el factor de comportamiento sísmico o ductilidad (que depende del tipo de estructura o de los elementos que la forman) se valúa con criterios sensiblemente diferentes según cada código de diseño.
1007
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
FILOSOFÍA DE DISEÑO El comportamiento sísmico de los puentes y de las estructuras en general está definido en términos de dos criterios:
el nivel de servicio de la estructura inmediatamente después del sismo y el nivel de daño o estado de resistencia última ocasionado por éste. Para evaluar éstos criterios se necesita ubicar a los puentes en categorías de acuerdo a su importancia. El comportamiento de puentes importantes ante eventos de servicio (sismos de baja y mediana
intensidad con alta probabilidad de ocurrencia) deberá ser siempre dentro del rango elástico, mientras que ante el sismo de diseño se permitirá que la estructura incursione en el rango post-elástico, admitiendo daño reparable y controlado en aquellos elementos capaces de disipar energía por medio de deformación (zonas de articulaclones plásticas), reduciendo al mínimo la probabilidad de interrumpir el servicio. Los puentes secundarios deberán estar diseñados de manera que, ante sismos de servicio no experimenten daño en elementos estructurales; y ante el sismo último de diseño puedan sufrir daño significativo, evitando al máximo el colapso. Las filosofías de diseño estructural
tratan de evitar el colapso parcial o total de la estructura; ya que como sabemos, esto se traduce directa o indirectamente en pérdidas de vidas humanas y de bienes materiales. En los últimos años y a medida que la ingeniería sísmica ha evolucionado, la tendencia ha sido diseñar sismicamente para estados de servicio y estado último, mediante dos métodos: Diseño por Fuerzas y Diseño por
Figura 1 Peso tributario a considerar Diseño por Fuerzas. Las fuerzas sísmicas se obtienen a través de un coeficiente sísmico de diseño que se determina a partir de espectros de diseño de servicio y de resistencia última, en los que se toma en cuenta la magnitud, el tipo, y
la frecuencia con que estos sismos s e presentan en la zona de diseño. El método de diseño por fuerzas se puede resumir en los siguientes pasos: Se realiza un predimensionamiento de la estructura para conocer en forma aproximada la carga muerta y se determinan el factor de importancia, la zona sísmica, y el factor de sitio (S). De un espectro aceleraciones de diseño, se determina el coeficiente sísmico de diseño (c) y según la estructuración, se selecciona un factor de comportamiento sísmico De acuerdo con la ubicación, la regularidad, la importancia del puente y la se determina el método de análisis a utilizar y se calculan las fuerzas y los desplazamientos. Si los desplazamientos son aceptables se continúa el proceso, de lo contrario, se regresa al punto de predimensionamiento. Se combinan las fuerzas y se determinan las fuerzas de diseño. Se diseñan los elementos de la superestructura, subestructura, cimentación y los estribos.
Me mo ri a de l
Congreso Nacional de Ingeniería Sísmica, Veracruz, Ver., México, 1997
Diseño por Desplazamientos. Este procedimiento de diseño, que se encuentra aun en la etapa de experimentación, intenta suministrar un apropiado diseño de miembros (tamaño, refuerzo y detallado) para que alcancen un desplazamiento especificado, bajo la acción de diseño (Priestley y col, 1996). La razón para adoptar este método es que el daño, en la mayoría de las estructuras, esta estrechamente relacionado con las deformaciones, y por consiguiente con los desplazamientos, pero no puede ser directamente relacionado con el nivel de fuerza, ya que muchas veces los modelos están sumamente simplificados (para obtener Q, por ejemplo) y en otros existen varias incertidumbres. El procedimiento, bajo el sismo de diseño.
intenta
acercar
a
una
estructura
tanto
como
sea
posible
al
estado
limite
requerido
CLASIFICACIÓN DE LOS PUENTES El factor de importancia evalúa el riesgo sísmico sobre una estructura y se aplica directamente a las fuerzas de diseño. Este factor obedece a razones sociales ya que a las estructuras importantes se les brinda un margen de seguridad mayor, lo que a su vez se traduce en estructuras más robustas y de mayor costo. En general los puentes se pueden clasificar de acuerdo a su importancia como lo muestra la Tabla
Tabla 1 Clasificación de acuerdo a su
Los puentes clasificados en la
Factor de
Reglamento o Manual 1993
(importantes), serán todos los Edificios: Grupo Grado de seguridad alto Grupo B.- Grado de seguridad intermedio
Grupo C.- Grado de LRFD- 1994 1996 EUROCODI GO 1994 IRA-1990 NZ- 1994
bajo
Puentes Puentes Esenciales Otros Puentes Puentes Esenciales Otros Puentes Mayor que el promedio Promedio Menor que el promedio Puentes Importantes Puentes Secundarios Pu en te s Pr in ci pa le s Puentes Secundarios
ATC 32
Puentes Principales Puentes Secundarios
RCDF- 1993
Estructuras: Grupo A.- Grado Grupo B.- Grado Grupo A.- Grado B.- Todos
Prop uest a
propuesta como del Grupo A
de de de los
1.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.3 1.0
0.7 1.0
0.8 1.3 1.0 1.0 1.0
seguridad alto seguridad intermedio o bajo seguridad alto (importantes) demás
1.5 1.0 1.5 1.0
puentes construidos en zona urbana, a menos que pueda garantizarse que dicha estructura trabajará con transito poco intenso durante por lo me-
nos los siguientes 30 años, y cuyas máximas (longitudinal y trans-versal) no excedan a 10 m, o bien, se trate de puentes que sirvan de comunicación 0 acceso a con ju nt os re si de nc ia le s pr iv ad os ,
en los que sólo circulen automóviles en por lo menos 30 años, en cuyo caso serán ubicados dentro del Grupo B. Sin embargo, será responsabilidad del dueño seleccionar la categoría en la que se ubicará
al puente. Se propone un factor de importancia igual a 1.5 debido a que los puentes importantes nunca deben interrumpir su función,
aún en el caso de sismos intensos, ya que resultan estructuras imprescindibles como forma de comunicación en contingencias y desastres por lo que necesitan un margen de seguridad mayor.
FUERZAS DE DISEÑO Todos los reglamentos estudiados están basados en fuerzas sísmicas. La fuerza sísmica basal en una estructura se
valúa suponiendo que una fuerza horizontal
sobre el punto donde está concentrada la masa. Así, la fuerza
cortante sísmica de diseño generalizada está dada por la siguiente expresión:
V=c
W Q
Donde: c es el coeficiente sísmico de diseño, el factor de zona, el factor de importancia, el factor de sitio, W el peso de la estructura y Q es el coeficiente de comportamiento sísmico. Se propone que el peso tributario de cada
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A.C.
elemento para el cual se obtiene la fuerza, se evalúe de acuerdo con la Figura 1, siempre y cuando los apoyos permitan el libre desplazamiento del miembro (M) o lo impidan adecuadamente (F). Los parámetros utilizados en la ecuación que requieren de un estudio profundo, están definidos por cada reglamento de acuerdo a las necesidades y características particulares del país donde rigen. Para tomar en cuenta la sobrerresistencia que está implícita en los espectros de diseño de los reglamentos mexicanos (Miranda se propone obtener la fuerza sísmica basal de diseño para puentes utilizando la siguiente expresión:
V=c Donde
es el factor de sobrerresistencia. Los factores y Fs no aparecen en la expresión
debido a que ya
fueron tomados en cuenta en la elaboración del espectro de diseño.
Sobrerresistencia. Se ha demostrado en estructuras convencionales (edificios), que la sobrerresistencia y redundancias ante acciones sísmicas llegan a ser hasta 2.5 veces la resistencia nominal proporcionada por reglamentos y manuales, debido principalmente a las propiedades reales del material, los factores de carga y resistencia, el ancho efectivo de losa formando vigas
en estructuras de concreto, el confinamiento de elementos,
entre otros. En México, este concepto está implícito en el espectro de diseño y se ajusta a las condiciones de las construcciones urbanas que tienen gran número de redundancias y características de este tipo. Sm embargo, el común de los puentes carece de muchas de éstas fuentes de sobrerresistencia, ya que los materiales de que están hechos con frecuencia difieren de los convencionales (como los presforzados por ejemplo), o no tienen continuidad, o bien, no cuentan con redundancias, por lo que este tipo de estructuras tendrá una menor resistencia a la supuesta en el RCDF.
Para tomar en cuenta este fenómeno se propone utilizar un factor de sobrerresistencia que afecte de manera directa a la fuerza de diseño, el cual tendrá el valor de 1.3 para estructuras en que se estime que el grado de sobrerresistencia es bajo, y el cual variará linealmente hasta 1.0 para estructuras con un grado de sobrerresistencia alto. Los factores de sobrerresistencia específicos para cada tipo de puentes están siendo investigados.
Factor de Zona. El factor de zona refleja el riesgo sísmico de determinada región y es tomado en forma diferente por los reglamentos. Para el
el factor de zona está implícito en los espectros de diseño, que dependen de la
clasificación sísmica de la República Mexicana, dividida en cuatro zonas sísmicas: A, B, C y D, con un coeficiente sísmico y un espectro de diseño diferentes, que dependen también del tipo de suelo y del periodo de la estructura. Los AASHTO clasifican también en cuatro zonas sísmicas: 1, 2, 3 y 4, para AASHTO-LRFD-1994, y A, B, C y D,
para AASHTO- 1996, que sirven para definir no solo las fuerzas de diseño sino también el tipo de análisis a emplear.
El JRA-1990 clasifica al país en tres zonas sísmicas: A, B, y C, cuyo factor de zona es 1.0, 0.85 y 0.7, respectivamente. Para el NZ-1994 el factor de zona varía entre 0.6 y 1.2 dependiendo de la sismicidad del sitio. El RCDF- 1993 no tiene factor de zona por tratarse de un reglamento local.
Factor de sitio. El factor de sitio
Tabla 2 Factor de sitio
dependerá del tipo de terreno en donde se construirá el puente. En general, se clasifica en cuatro tipos: Suelo rocoso
o extremadamente firme; Suelo fine con depósitos estables de arenas, gravas o arcillas rígidas; Suelo de Transición formado por arcillas blandas o semi-rígidas con o sin capas
intermedias de arena otros suelos friccionantes; y Suelo Blando, formado por arcillas o limos muy blandos. El ATC-32 define seis tipos de terreno (A, B, C, D, E y F), en función de los estratos más superficiales y la velocidad de onda de cortante: Tipo A, terreno formado por roca dura y una velocidad de onda de cortante
1500 mis; Tipo B, terreno rocoso con 760
1500 Tipo C, suelo muy denso y rocoso con 360 mis 760 Tipo D, terreno rigido con 180 360 Tipo E, suelo blando (arcillas), formado por una capa superficial de más de 3 m con 180 y Tipo F, formados por suelos vulnerables a sismos, suelos con potencial de licuación, arcillas de alta compresibilidad
y
suelos
cementados
fácilmente
colapsables,
suelos
orgánicos
arcillosos
con
más
de
3
m
de
espesor.
suelos de arcilla altamente plástica con más de 8 m de espesor o de arcillas suaves o medias con más de 36 m de espesor. El ATC-32 proporciona también los factores de amplificación del suelo de acuerdo con el tipo de terreno y con la intensidad sísmica de la zona, dado por la aceleración y se muestran en la Tabla 3. Para suelos Tipo E y F.
1010
Me mo ri a de l
Congreso
de
Sísmica. Veracruz, Ver., México. 1997
se deberán realizar investigaciones específicas del suelo, con el amplificación.
de conocer realísticamente el factor de
Tabla 3 Factor de sitio para ATC-32
Los reglamentos
1993 y RCDF-1993
clasifican a los suelos en terreno Tipo 1, II y III,
equivalentes a los suelos firme, de transición y blando respectivamente y en los cuales el factor
de sitio se podría obtener dividiendo el coeficiente sísmico del terreno entre el coeficiente sísmico del terreno Tipo 1; el Eurocódigo los clasifica en terrenos tipo A (firme) y C (transición). El NZ-1994 clasifica a los suelos en muy rigidos (rocoso), de rigidez intermedia (transición), y suelos de poca rigidez (blandos), para los cuales proporciona espectros de diseño que llevan implícito el factor de sitio.
Reglamento
Coeficiente
c, se obtiene del espectro de diseño, según la zona
1993
sísmica, tipo de terreno y periodo de la estructura
efecto
= 1.2 A S 1996)
EUROCODIGO -1994 IRA-1990 NZ- 1994
RCDF- 1993
Coeficiente Sísmico de Diseño. El coeficiente sísmico (c) es un porcentaje del peso total (cargas permanentes) que debe considerarse que actúa en la base del puente por
R, se obtiene del espectro de diseño, según el tipo de terreno, periodo de la estructura, etc. = 0.2 (coeficiente sísmico horizontal estándar) está en función del periodo natural de vibración y de la categoría del subsuelo c, se obtiene del espectro de diseño, según el tipo de terreno y periodo de la estructura
de
sismo.
El
coeficiente
sísmico
para los diferentes reglamentos se observa en la Tabla 4, en donde A es el coeficiente de aceleración del terreno, S el factor de sitio y T el periodo del puente. El ATC-32, contempla espectros de diseño para cada tipo de terreno para sismos con varias magnitudes a escoger.
Factor de Comportamiento Sísmico. En la actualidad la forma más adecuada de caracterizar el comportamiento dinámico de las estructuras consiste en el
empleo del factor de comportamiento sísmico (Q). Las diferencias en Q entre distintos reglamentos radica en la forma de los espectros de diseño, ya ordenada espectral que para la mayoria de los México el espectro de diseño no es un espectro con la vulnerabilidad y sobrerresistencia junto con
1.2 1
0. 8
0. 6
que el factor de comportamiento reglamentos en el ámbito mundial elástico ya que toma en cuenta los efectos de sitio lo lo
sísmico influye directamente sobre la consisten en ordenadas elásticas. En algunos aspectos que tienen que ver convierte en un espectro reducido. Es
por eso que el lector deberá recurrir a sus conocimientos y buen juicio al interp retar los valores presentados . Las recomendaciones del ATC-32 incluyen factores de comportamiento sísmico para elementos de la subestmctura que dependen del comportamiento sísmico proyectado (dúctil o parcialmente dúctil) y de la relación (periodo natural de la estructura entre periodo dominante del suelo). Así, para estructuras dúctiles, este factor oscila entre 0.8 y 4.0 (0.8 para elementos frágiles no diseñados por capacidad y 4.0 para columnas de concreto bien o columnas de acero); mientras
que
para
estructuras
parcialmente
dúctiles
está
entre
0.8
y
3.0. La Tabla 5 presenta los valores de ductilidad y de
0. 4
comportamiento sísmico para diferentes elementos y conexiones en
cuatro reglamentos. Los factores de comportamiento sísmico para el RCDF-1993 no se tomaron en cuenta ya que no aplican para puentes. Los valores del factor de comportamiento sísmico dados en la Tabla 5 para el Eurocódigo, deben emplearse sólo si las
0. 2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
regiones de las articulaciones plásticas son accesibles para su ins pe cc ió n y re pa ra ci ón ; en ca so co nt ra ri o, lo s valo re s da do s debe rá n
dividirse entre 1.4, aunque nunca deberán ser menores a 1.0. Los factores de comportamiento sísmico propuestos deberán multi-
Figura 2 Espectros de diseño
plicarse por 0.7 para el caso de puentes irregulares, o bien, cuando se empleen aisladores sísmicos, excepto para las conexiones.
Sociedad Mexicana de Ingeniería Sísmica, A. C
rigidez transversal de la superestructura sola sea menor a 2.0 ancho de calzada no supere los 30 m.
que sus claros sean menores a 120 m y el
DESPLAZAMIENTOS Desplazamientos Máximos. El RCDF-1993 permite una distorsión
pisos consecutivos debida a fuerzas
laterales de 0.006, salvo que los elementos incapaces de soportar deformaciones apreciables, estén separados de la
estructura principal, en cuyo caso el límite en cuestión será de 0.012. Se entiende por distorsión de entrepiso la diferencia de los desplazamientos laterales de pisos consecutivos entre la diferencia de elevaciones correspondiente. Debido a que usualmente los puentes no cuentan con elementos frágiles en su estructura (muros de mampostería por
ejemplo), ni se unen a elementos que no soportan deformaciones apreciables (cristales o acabados costosos), proponemos una distorsión máxima de entrepiso igual a 0.006 para puentes importantes y 0.012 para secundarios.
Longitud Mínima de Apoyo. La
Tabla 8 Longitud mínima de
Zona
Longitud
Todas
D = 254 + 2.08 L + 8.35 H
de Apoyo
0
1993
AASHTO 3 y 4 (C y D) D = (305 + 2.5 L 10 H) (1 + 0.000 125
EURO-94 Propuesta
Todas Todas
D = (250 + 2.08 L + 8.35 H) (1 + 0.000125
longitud mínima del apoyo, D, en
milímetros para las trabes o tableros sobre la subestructura de
acuerdo con los reglamentos de referencia se presenta en la Tabla
8. El grado de esviajamiento del apoyo comienza a ser importante cuando forma un ángulo de 30” con respecto a la normal del
puente. La Figura 3 muestra una comparación entre un puente con dos claros iguales, cuya altura H es igual a 6.0 m,
y cuy& claros varían de 10 a 50 m, con un grado de curvatura de En esta figura, L es la longitud en metros, entre dos apoyos adyacentes, o la longitud entre el apoyo y la junta de expansión más cercana, o la suma de las longitudes a los lados de una articulación dentro de un claro; H es la altura, en metros, de la pila cuando está
600 ,
formada por una o varias columnas, o la altura promedio de las
400
3 0 0
columnas o pilas más cercanas si se trata de una junta de expansión,
2 0 0
expansión más cercana que soporta la superestructura si se trata de
o la altura promedio de las columnas entre el estribo y la junta de un estribo; H = 0 para puentes de un solo tramo; S es el ángulo de
100
- P R O P U E S T A
0
0
20
40
Figura 3 Longitud de apoyo
60
esviajamiento del apoyo en grados, medido desde una línea normal al claro; 1, es la mínima longitud de apoyo para asegurar la correcta
transmisión de la reacción vertical, nunca menor a mm], es el desplazamiento efectivo de las dos partes debido al desplazamiento diferencial sísmico del suelo, y es el desplazamiento sísmico efectivo del apoyo debido a la deformación de la estructura.
DISEÑO Cargas. Las cargas que deben tomarse en cuenta para el cálculo de la masa en el análisis sísmico de puentes según los diferentes reglamentos se presentan en la Tabla 9, en donde CP es la carga permanente; la carga viva con su valor instantáneo; CV,,,, la carga viva modificada para estacionamientos y garages de acuerdo con RCDF- 1993, que
para el caso de puentes de obra metro será la carga permanente por de un vagón, más una carga viva pertinente aprobada por el Departamento del D.F.; CCP, las cargas casi permanentes (cero en el caso de puentes ordinarios y 0.2 para puentes muy transitados); WA la carga hidrostática; FR es la carga por EQ las cargas sísmicas; D y DL son la carga muerta incluyendo sobrecarga; B es el empuje por flotación; E y EP son la presión de tierras; las cargas de construcción; SG son los efectos de acortamiento de trabes; ST los asentamientos; TP son los efectos de temperatura; U es la carga de diseño para el método de diseño por resistencia; y k es igual a 1.3 0.8, el que sea más desfavorable, para permitir la acción vertical.
Efectos Combinados de los Movimientos del Suelo. Cualquiera que sea el método de análisis que se emplee, los puentes se revisarán ante la acción de dos componentes horizontales ortogonales del movimiento del terreno.
Todos
Me mo ri a de l XI Co ng re so Na ci on al de
Sísmica, Veracruz. Ver.,
1997
los reglamentos estudiados, excepto el ATC-32, proponen que los efectos de ambos componentes se combinen tomando, en cada dirección en que se analice el puente, el 100 por ciento de los efectos en la dirección del análisis más el 30 por ciento en la otra dirección. El ATC-32 propone analizar Tabla 9 Cargas para análisis sísmico el efecto de estos componentes mediante el 100 por ciento en la dirección de Cargas del análisis, más el 40 por ciento en la No lo indica otra dirección. La propuesta es asumir AASHTO-94 D + WA + FR EQ el criterio del ATC-32, más conserAASHTO-96 D+B+WA+E+EQ vador pero al parecer más realista. EURO 1994 CP + NZ-1994 U= + + WA) + SG + ST + EQ + Diseño de Pilas y Columnas. Una pila U= + + WA SG + + puede diseñarse como tal en su diRCDF-1993 rección mayor y como columna en su Propuesta dirección menor. El área de refuerzo longitudinal no deberá ser menor que 0.01, ni mayor a 0.06 veces el área transversal gruesa de la pila o columna (Ag). La resistencia a flexión biaxial no debe ser menor que la requerida por flexión. La columna debe ser estudiada para casos de carga extrema en estados límite últimos. La cantidad de refuerzo transversal no debe ser menor a lo especificado bajo carga gravitacional.
Las siguientes disposiciones aplican a los extremos inferior y superior de pilas y columnas. La región extrema de columnas deberá suponerse del nivel superior de las trabes a la parte superior de la columna, o de la parte superior de la cimentación a la parte baja de las columnas una distancia igual a la mayor de las siguientes: La máxima dimensión transversal del elemento, un sexto de la altura libre, o 60 cm. La región extrema en lo alto de una pila deberá tomarse
igual que para las columnas. En la parte alta de las columnas, la región extrema deberá ser considerada desde tres diámetros de la pila abajo del punto del máximo momento calculado a un diámetro de pila, pero no menor a 45 cm, arriba de la línea de terreno natural (NTN).
Apoyos elastoméricos. Los apoyos flexibles colocados sobre cabezales o estribos conectados a sistemas de piso, deberán en general permanecer dentro del rango elástico, debiendo considerar el consecuente incremento en los desplazamientos del sistema.
Efectos P-A. Los efectos dinámicos de las cargas gravitacionales actuando debido a los desplazamientos laterales, deberán ser incluidos en el diseño mediante el empleo de un Análisis Dinámico Inelástico, excepto que se compruebe que estos efectos pueden ser despreciados.
DETALLADO SÍSMICO El detallado estructural depende de los materiales a emplear y del desempeño deseado de comportamiento estructural
(Q). Por falta de espacio, sólo se incluirán algunos comentarios generales contenidos en la mayoría de los reglamentos
sobre
el
detallado
en
columnas
de
concreto.
Espirales (Zunchos). De uno o más espirales continuos con diámetro mínimo de 95 mm. El refuerzo deberá tener un arreglo de tal manera que el refuerzo longitudinal principal esté siempre en contacto con la espiral. La separación entre barras de la espiral no será menor a 10 cm o 5.33 veces el tamaño del agregado máximo. La separación centro a
centro entre zunchos no deberá exceder de 6 veces el diámetro de la barra más pequeña del acero longitudinal o 15 cm. El refuerzo en espiral deberá extenderse hasta la zapata o nivel más bajo del apoyo. El anclaje del refuerzo en espiral será previsto por 1.5 vueltas extras de la barra que forma el espiral en cada extremo. Los traslapes del refuerzo en espiral pueden suministrarse por medio de 48 veces el diámetro de las barras las no corrugadas; o bien, por medio de conectores mecánicos o traslapes soldados. Estribos.
En
miembros
a
compresión
estribados,
todas
las
barras
longitudinales
deben
y 72 veces el de
estar
restringidas
por
estribos
laterales de la siguiente manera: Estribos # 3 para barras # 8 o menores, Estribos # 4 para banas # 10, Estribos # 5 para barras # 12 o mayores. La separación de los estribos no será mayor que la menor dimensión del miembro en compresión o 30 cm. Cuando dos o más barras del # 10 o mayores estén en paquete, la separación no deberá exceder de la menor dimensión del miembro o 15 cm. Estribos prefabricados o alambres soldados pueden utilizarse en vez de
barras. Los estribos deben estar arreglados de manera que cada esquina provea soporte lateral a las barras
Sociedad
Mexicana
de
Ingeniería
Sísmica,
A.C.
longitudinales, siendo este doblez no menor a
y ninguna barra longitudinal no soportada lateralmente deberá
estar a más de 15 cm de una restringida. Cuando las barras están localizadas en la periferia de un círculo, un estribo circular completo pude ser usado si los traslapes entre estribos están alternados. Los estribos deben estar localizados
verticalmente a no más de la mitad especificada arriba, en conexiones con zapatas o cualquier otro apoyo, y a la mitad de la separación en el remate de columnas. Juntas. Se ha comprobado que una separación entre segmentos de puentes de 5.0 cm mediante elástómeros y polies-
tireno (Malhotra y col.,
amortigua de manera eficiente el choque entre los mismos, además de que absorbe
satisfactoriamente las contracciones y expansiones por temperatura. Por tal motivo, se propone que se diseñen bajo este criterio, a menos que el diseñador garantice el correcto funcionamiento de otro tipo de juntas de expansión.
CONCLUSIONES En este artículo se estudiaron, compararon y evaluaron las propuestas de diseño sísmico de ocho reglamentos, a partir de los cuales se obtuvieron parámetros para generar la propuesta de normas respectiva para puentes urbanos de la ciudad de México. Se vio la necesidad de definir el comportamiento sísmico de estas estructuras en función de su
importancia y ductilidad y se propone un factor de sobrerresistencia para tomar en cuenta el nivel de esta en los pu en te s. Ad em ás , se pr op on en co ef ic ie nt es de co mp or ta mi en to sí sm ic o pa ra el em en to s del puente. Debido al intenso tránsito sobre puentes urbanos se propone tomar en cuenta análisis sísmico, además de considerar las condiciones de apoyo de la superestructura al contar con espectros de servicio para garantizar que no exista daño bajo la acción de
de la su be st ru ct ur a y ap oy os la carga viva para efectos de evaluar la carga. Se propone sismos de pequeña y mediana
intensidad. Se delimitaron los desplazamientos máximos permisibles ante carga lateral y se propuso una nueva expresión para la longitud de apoyos que toma en cuenta el esviajamiento. Se dan recomendaciones para el diseño y detallado de subestructuras de concreto reforzado. Todos las propuestas contenidas en este trabajo tiene n carácter preliminar ya que actualmente siguen siendo materia de estudio de los autores y de otros investigadores.
AGRADECIMIENTOS Este trabajo ha sido posible gracias al patrocinio de la Secretaría de Obras del DDF y al CONACYT.
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= et. al.
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(1990):
=
b. Espresiones empíricas y
datos
( 1986):
= et. al. (1992) :
(9 )
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