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Anlisis Ssmico y Retrofit en Puentes

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Anlisis Ssmico y Retrofit en

Puentes Desarrollo de la Norma AASHTO LRFD Seismic

Bridge Design

Vlacev Toledo Espinoza

COMUNIDAD PARA LA INGENIERA CIVIL

Per

www.cingcivil.com

Primera Edicin: Abril 2012

Anlisis Ssmico y Retrofit en Puentes

Desarrollo de la Norma AASHTO LRFD Seismic Bridge Design

Publicacin Cingcivil: Diplomado Clculo y Diseo de Puentes

El Autor

ISBN

requerimientos

generales

En este captulo se hace una introduccin a la Ingeniera Ssmica Basada

en Desempeo, cubriendo temas sobre la historia del PBEE, resumiendo

los primeros esfuerzos como el FEMA 273/356 y el ATC 40. Se desarrollan

los objetivos de la PBEE, formados de la matriz de Objetivos Principales vs

Niveles de Peligrosidad Ssmica, se indican cmo se definen los objetivos

principales a partir de niveles de desempeo en elementos estructurales y

no estructurales.

Comunidad para la Ingeniera Civil Diplomado Clculo y Diseo de Puentes Requerimientos Generales

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1. Requerimientos Generales

1.1. Aplicabilidad de las Especificaciones

Estas especificaciones son para el diseo la construccin de nuevos puentes que resisten los

efectos de movimientos ssmicos. Las disposiciones se aplican a puentes de construccin de la

superestructura convencional losa, viga, viga principal y vigas tipo cajn con vanos que no excedan de 500

pies (150 metros). Para otros tipos de construccin (ejemplo, puentes suspendidos o colgantes, puentes

atirantados, puentes de armadura, tupo arco y puentes movibles) y vanos que excedan los 500 pies (150

metros), el propietario deber especificar y/o aprobar las disposiciones apropiadas.

Los efectos ssmicos no necesitan ser considerados para alcantarillas tipo cajn y estructuras

enterradas, excepto cuando stas estn sometidas a condiciones del terreno inestables (ejemplo,

licuefaccin, deslizamientos de taludes, y desplazamientos de fallas) o grandes deformaciones del terreno

(ejemplo, en muchos terrenos suaves).

Estas disposiciones especificadas en las especificaciones son requerimientos mnimos.

Disposiciones adicionales son necesarias para alcanzar criterios de desempeo elevados para reparacin o

minimizar el dao atribuido a puentes esenciales o crticos.

Ningn anlisis estructural ssmico es requerido para un puente de un simple tramo o para

cualquier puente en la Categora de Diseo Ssmico A. Requerimientos de detallamiento especficos son

aplicados para SDC A (Categora de Diseo Ssmico A, Seismic Design Category A). Para puentes de un solo

tramo los requerimientos para la longitud de apoyo mnimo debern aplicar en concordancia con el Artculo

4.12 de la AASHTO LRFD Seismic. Sin embargo, el anlisis geotcnico detallado de los estribos puede ser

requerido por el propietario para puentes de un solo tramo si hay potencial para la extensin lateral

significativa u otras formas de inestabilidad del estribo que son posibles debido a la licuefaccin.

1.2. Criterios de Desempeo

Los puentes debern ser diseados para el objetivo de desempeo de seguridad de vida

considerando un peligro ssmico correspondiente al 7% de probabilidad de excedencia en 75 aos. Niveles

elevados de desempeo, tales como como el objetivo operacional, pueden ser usados con autorizacin del

propietario del puente. El desarrollo del movimiento del suelo ssmico de diseo para el 7% de probabilidad

de excedencia en 75 aos est dado en la seccin 1.4.

La Seguridad de Vida para el evento de diseo infiere que el puente tiene una baja probabilidad

de colapso pero, puede sufrir dao significativo y ruptura significativa para el servicio. Un reemplazo parcial

o completo puede ser requerido.

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Niveles de Daos Significativos incluidos los desplazamientos permanentes y dao consistente de

fisuras, fluencia del refuerzo, descascaramiento mayor del concreto y fluencia general y pandeo local de las

columnas de acero, pandeo global y local de los arriostres de acero, y agrietamiento en la losa del tablero

del puente en los conectores de corte. Estas condiciones pueden requerir el cierre para reparar el dao.

Reemplazo parcial o total de las columnas puede ser requerido en algunos casos. Para sitios con flujo lateral

debido a la licuefaccin, significante deformacin inelstica es permitida en los pilotes. Reemplazo parcial o

completo de las columnas y pilotes puede ser necesario si ocurre significativo flujo lateral. Si el reemplazo

de las columnas u otros componentes es evitado, la estrategia de diseo produciendo el dao mnimo o

moderado tal como el aislamiento ssmico o el concepto de diseo de control y reparabilidad debern ser

evaluados.

La Ruptura Significativa a Nivel de Servicio incluye el acceso limitado (carriles reducidos, trfico

de emergencia ligero) sobre el puente. Apuntalamientos pueden ser requeridos.

1.3. Sistemas Resistentes a Sismos (Earthquake Resisting Systems, ERS)

Requerimientos para las Categoras de Diseo Ssmico C y D

Para las Categoras de Diseo Ssmico C y D (ver la Seccin 1.5), todos los puentes y

cimentaciones deben tener un Sistema Resistente Ssmico (Earthquake Resisting System, ERS) claramente

identificable seleccionado para alcanzar el Criterio de Seguridad de Vida definido en la Seccin 1.2. El ERS

deber proporcionar una trayectoria de carga fiable e ininterrumpida para transmitir las fuerzas ssmicas

inducidas dentro del suelo circundante y medios suficientes de disipacin de energa y/o restriccin para

controlar fiablemente los desplazamientos inducidos por el sismo. Todos los elementos estructural y de la

cimentacin del puente debern ser capaces de alcanzar los desplazamientos anticipados consistentes con

los requerimientos de la estrategia de diseo elegida de resistencia ssmica y otros requerimientos

estructurales.

Hay tres Estrategias de Diseo Ssmico Globales que se usarn. Estn basados en las

caractersticas de comportamiento esperadas del sistema del puente, e incluyen:

Tipo 1 Subestructura Dctil con Superestructura Esencialmente Elstica Esta categora

incluye articulaciones plsticas convencionales en las columnas y muros y estribos que limitan las

fuerzas inerciales por movilizacin total de la resistencia pasiva del suelo.

Tipo 2 Subestructura Esencialmente Elstica con una Superestructura Dctil Esta categora

se aplica slo para superestructuras de acero y la ductilidad es alcanzada por elementos dctiles

en los pilares transversales de los prticos.

Tipo 3 Superestructura Elstica y Subestructura con un Mecanismo de Fusible Entre los Dos

Esta categora incluye estructuras aisladas ssmicamente y estructuras donde los dispositivos de

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disipacin de energa suplementarios, tales como amortiguadores, son usados para controlar las

fuerzas inerciales transferidas entre la superestructura y la subestructura.

Para el propsito de fomentar el uso de sistemas apropiados y de garantizar debido a las

consideraciones de desempeo del propietario, los ERS y los elementos resistentes a sismo (earthquake

resisting elements, ERE) sern categorizados como sigue:

Permisible.

Permisible con Aprobacin del Propietario.

No Recomendado para Nuevos Puentes.

Estos trminos se aplican tanto a los sistemas como a los elementos. Para que un sistema est en

la categora de Permisible, sus principales EREs debern estar en la categora Permisible. Si un ERE es no

permisible, entonces el sistema entero es no permisible.

Ejemplos comunes para cada uno de los tres ERS y categoras ERE son mostradas en las Figuras 1-

1 y 1-2, respectivamente.

Figura 1-1: Sistemas resistentes ssmicos permisibles, ERS (Figura 3.3-1a AASHTO LRFD Seismic).

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Figura 1-2: Elementos resistentes ssmicos permisibles, ERE (Figura 3.3-1b AASHTO LRFD Seismic).

Los sistemas y elementos permisibles (Figuras 1-1 y 1-2) tienen las siguientes caractersticas:

a) Todas las acciones inelsticas significativas debern ser dctiles y ocurrir en ubicaciones con

adecuado acceso para la inspeccin y reparacin. Los pilotes sometidos a movimiento lateral a partir del

flujo lateral como resultado de la licuefaccin estn permitidos para articularse por debajo de la lnea del

terreno siempre que el propietario est informado y no requiera algn criterio de desempeo elevado para

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un objetivo especfico. Si todos los elementos estructurales del puente son diseados elsticamente

entonces ninguna deformacin inelstica es anticipada y los elementos elsticos son permisibles, pero el

detallamiento mnimo es requerido acorde a la Categora Ssmica de Diseo (SDC).

b) La accin inelstica de un miembro estructural no pone en peligro la capacidad de soporte

de carga de gravedad de la estructura (ejemplo, un travesao y la superestructura articulada).

Los sistemas permisibles que requieren la aprobacin del propietario (Figura 1-3) son aquellos

sistemas que no renen ya sea el tem (a) o (b), anterior.

En general, sistemas que no caen en cualquiera de las dos categoras permisibles (Figura 1-4) no

son recomendables. Sin embargo, si se da la adecuada consideracin para todos los modos potenciales de

comportamiento y potenciales mecanismos indeseables de falla son suprimidos, entonces tales sistemas

pueden ser usados con la aprobacin del propietario.

1.4. Peligro Ssmico del Sacudimiento del Suelo

El peligro del sacudimiento del suelo prescrito es definido en trminos del espectro de respuesta

de aceleraciones y coeficientes de sitio. Ellos sern determinados en concordancia con el procedimiento

general de la Seccin 1.4.1 o el procedimiento de sitio-especfico de la Seccin 1.4.3.

En el procedimiento general, los parmetros de respuesta espectral son definidos usando los

Mapas de Peligro Ssmico de la USGS/AASHTO producido por el U.S. Geological Survey

(http://earthquake.usgs.gov/hazards/designmaps/aashtocd.php), que representan movimientos del suelo

probabilsticos y respuesta espectral para el 7% de probabilidad de excedencia en 75 aos (se debe de

aclarar que los mapas de peligro ssmico para puentes son distintos a los usados para edificios, variando en

la probabilidad de excedencia y el periodo de retorno).

Un procedimiento de sitio-especfico deber usarse si se aplica algo de lo siguiente:

Los suelos en el sitio requieren evaluacin de sitio-especfico (esto es, suelos en Clases de

Sitio F, seccin 1.4.2.1); a menos que una determinacin haga que la presencia de tal suelo no

podra resultar en una respuesta significativamente elevada del puente.

El puente sea considerado como crtico o esencial de acuerdo a la Seccin 2.2.2 para el cual

un elevado grado de confianza de reunir los objetivos de desempeo ssmico de la Seccin 1.2

sea deseable.

El sitio est localizado dentro de las seis millas (9.66 kilmetros) de una conocida falla activa y

su respuesta podra ser significativamente e influenciada de forma adversa por las caractersticas

del movimiento del suelo de fallas cercanas.

Que sismos de larga duracin se esperen en la regin.

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La importancia del puente es tal que una baja probabilidad de excedencia ( y por tanto un

periodo de retorno grande) deber ser considerado.

Figura 1-3: Elementos resistentes ssmicos permisibles que requieren aprobacin del propietario (Figura 3.3-2

AASHTO LRFD Seismic).

1.4.1. Espectro de Diseo Basado en el Procedimiento General

El Procedimiento General usar el coeficiente pico de aceleracin del suelo (peak ground

acceleration coefficient, PGA) y los coeficientes de aceleracin espectral para los periodos-cortos y

periodos-largos ( y respectivamente) para calcular el espectro de diseo. Los valores del PGA, y

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debern ser determinados de los Mapas de Peligro Ssmico de la USGS/AASHTO apropiadamente, o de los

mapas del movimiento del suelo estatal aprobados por el propietario.

Figura 1-4: Elementos resistentes ssmicos permisibles que no son recomendados para nuevos puentes (Figura 3.3-3

AASHTO LRFD Seismic).

Se deber usar la interpolacin lineal para los sitios localizados entre las lneas de contorno o

entre la lnea de contorno y un mximo o mnimo.

El espectro de diseo de respuesta deber construirse usando las aceleraciones espectrales de

respuesta tomadas de los mapas de movimiento del suelo y de los factores de sitio descritos en la Seccin

1.4.2.

1.4.1.1. Espectro de Respuesta de Diseo

El espectro de respuesta de diseo al cinco por ciento de amortiguamiento deber tomarse como

se indica en la Figura 1-5. Este espectro deber ser calculado usando los coeficientes de aceleracin pico del

suelo mapeados y los coeficientes de aceleracin espectral de los Mapas de Peligro Ssmico de la

USGS/AASHTO, escalados para periodos-cero, periodos-cortos y periodos-largos, factores de sitio, , ,

y respectivamente.

1.4.1.2. Coeficiente Elstico de Respuesta Ssmica

Para periodos menores o iguales a , el coeficiente ssmico elstico para m-simo movimiento de

vibracin, , deber tomarse como:

(Ec. 3.10.4.2-1 AASHTO LRFD)

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Figura 1-5: Espectro de Diseo de Respuesta (Figura 3.10.4.1-4 AASHTO LRFD).

en el cual:

(Ec. 3.10.4.2-2 AASHTO LRFD)

(Ec. 3.10.4.2-3 AASHTO LRFD)

donde:

= coeficiente de aceleracin pico del suelo sobre roca (Clase de Sitio B).

= coeficiente de aceleracin espectral de respuesta horizontal al periodo de 0.2

segundos sobre roca (Clase de Sitio B).

= periodo de vibracin del m-simo modo (s).

= periodo de referencia usado para definir la forma espectral ( ).

= periodo de esquina en el cual el espectro cambia de ser independiente del

periodo a ser inversamente proporcional al periodo

( ).

Para periodos mayores que o iguales a y menores que o iguales a , el coeficiente elstico de

respuesta ssmica deber tomarse como:

(Ec. 3.10.4.2-4 AASHTO LRFD)

Para periodos mayores que , el coeficiente elstico de respuesta ssmica deber tomarse como:

(Ec. 3.10.4.2-5 AASHTO LRFD)

en el cual:

(Ec. 3.10.4.2-6 AASHTO LRFD)

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donde:

= coeficiente de aceleracin espectral de respuesta horizontal al periodo de 1.0

segundos sobre roca (Clase de Sitio B).

1.4.2. Efectos del Sitio Sobre los Movimientos del Suelo

Las clases de sitio generalizadas y los factores de sitio debern usarse con el procedimiento

general para construir el espectro de respuesta descrito en la Seccin 1.4.1. El anlisis de sitio-especfico

deber ser conducido cuando se requiera por la Seccin 1.4.3 y la Tabla 1-1.

Si las condiciones geolgicas en los estribos y pilares intermedios resultan en diferentes

clasificaciones de suelo, entonces el espectro de respuesta de diseo puede determinarse en los

procedimientos de sitio-especfico indicados en la Seccin 1.4.3. En lugar de los procedimientos de sitio-

especfico y bajo la gua del ingeniero geotcnico, el espectro de respuesta de diseo puede determinarse

como la envolvente del espectro de respuesta individual en cada apoyo.

1.4.2.1. Definiciones de las Clases de Sitio

Un sitio deber clasificarse como A hasta F de acuerdo con las definiciones de clases de sitio de la

Tabla 1-1. Los sitios se clasificarn por su rigidez determinado por la velocidad de onda de corte en los 100

pies (30 metros) superiores. Las pruebas de penetracin estndar (SPT), el conteo de golpes y las

resistencias al corte no drenado de muestras de suelo de perforaciones del suelo pueden ser usadas para la

clasificacin del sitio.

Tabla 1-1: Definiciones de las Clases de Sitio (Tabla 3.10.3.1-1 AASHTO LRFD).

1. Requerimientos Generales1.1. Aplicabilidad de las Especificaciones1.2. Criterios de Desempeo1.3. Sistemas Resistentes a Sismos (Earthquake Resisting Systems, ERS) Requerimientos para las Categoras de Diseo Ssmico C y D1.4. Peligro Ssmico del Sacudimiento del Suelo1.4.1. Espectro de Diseo Basado en el Procedimiento General1.4.1.1. Espectro de Respuesta de Diseo1.4.1.2. Coeficiente Elstico de Respuesta Ssmica

1.4.2. Efectos del Sitio Sobre los Movimientos del Suelo1.4.2.1. Definiciones de las Clases de Sitio