aice 2013 presentacion pipa braden parte 2 rev 8 3

AICE VI Congreso Anual de Ingeniería Estructural Proyectando la Experiencia Chilena

Estudio de Estabilidad y Vulnerabilidad de la Pipa Briden – El Teniente 1

Estudio de Estabilidad y Vulnerabilidad de la

PIPA BRADEN

Segunda Parte

Tomás Guendelman B.

Jorge Lindenberg B.

Alfredo Eisenberg G.

Noviembre 2013



Segunda Parte

Estudio de Vulnerabilidad Estructural de la Pipa Braden

Propósito:

Validar los resultados del estudio preliminar, tomando en consideración efectos

no lineales de la parte descubierta de la pipa (Capacidad Continua) y las

variaciones de la demanda sísmica en el tiempo (Demanda Continua).



Resultado de la evaluación preliminar de la estabilidad



Procedimiento de análisis

Consistirá en determinar el diagrama Capacidad-Demanda y, a partir de ahí,

determinar las zonas seguras e inseguras que conlleva la explotación.

demanda continua

capacidad continua

t

Cs

Zona

segura

Zona

insegura



Etapas e hipótesis de análisis

Se utiliza un modelo de Elementos Finitos con elementos tipo BRICK.

Se desarrolla un programa de análisis tipo “Pushover”, con consideraciones de la plastificación de los elementos que alcanzan el estado de falla.

Se determinan las Tensiones Principales en cada EF.

Se considera desvinculación total de la parte ubicada por encima del empotramiento.

Propiedades geométricas y mecánicas de la Pipa, en cada elemento finito, provienen del aporte ponderado de las diferentes componentes geológicas que en ellos intervengan.



Se aplican variaciones en la profundidad H de excavación. La base horizontal a profundidad H se considera empotrada.

La altura libre de la pipa, H, se relaciona con el tiempo de exposición (t), de

acuerdo a que el programa de explotación para el modelo teórico supone

que se alcanza la cota basal 1820 en el año 2027, lo que significa que H

aumenta 400 metros en 25 años. En esta forma, si para 2002 el valor de H

es de 650 metros, la relación entre H y t es:

Se consideran 5 casos de profundidad de excavación, dadas por las

siguientes cotas de empotramiento: +2220; +2120; +2020; +1920 y +1820.

Para la evaluación de las nuevas propiedades, se emplea el criterio Mohr-Coulomb, matemáticamente consistente con los criterios de plastificación.



Se considera la acción de cargas gravitacionales y sísmicas.

Las cargas sísmicas se evalúan a través de las fuerzas de inercia que se generan mediante un campo de aceleraciones triangular invertido, desde el empotramiento del modelo hasta su cúspide.

La aplicación de cargas sísmicas se realiza mediante pequeños incrementos (método pushover), modificando propiedades y capacidades resistentes de un ciclo a otro, en función de los desplazamientos y tensiones del ciclo inmediatamente anterior.



Información proveniente de los 5 casos de análisis

1. Curvas de Capacidad: Coeficiente Sísmico Cs vs. Desplazamiento lateral,

en diversas cotas verticales. De entre ellas, la curva del nivel superior define

la que se emplea para efectos de determinar la Ductilidad Global .

2. Story Drift (/H): Curvas que relacionan el Coeficiente Sísmico Cs con el

cuociente entre el Desplazamiento Lateral Relativo () y la Diferencia de Cotas (h) entre las que se mide. En este estudio se eligen bandas horizontales distantes a 100 metros.

3. Gráfica de contorno basal sano y porcentaje de superficie basal dañada en

función de Coeficiente Sísmico Cs.

4. Curva de degradación de rigidez lateral.



Coeficiente Sísmico Crítico (Csc)

Es aquel que origina la primera de las siguientes situaciones:

1. Daño (esfuerzos máximos) en más del 15% de la superficie basal.

2. Degradación de la rigidez lateral en más de 50%.

3. Ductilidad Global superior a 2.

4. Story Drift (/h) superior a 1% (= 1 metro).



Formulación continua del riesgo

Debido a que la Pipa aumenta su zona expuesta en el tiempo, es importante realizar un estudio de vulnerabilidad que tome en cuenta las variaciones de capacidad, como asimismo de la demanda sísmica.

La Pipa se ve expuesta en forma permanente a una demanda sísmica creciente en el tiempo, ofreciendo una capacidad resistente cada vez menor. El cuociente entre la capacidad ofrecida y la demanda sísmica permite identificar rangos de seguridad estructural.

Se desarrollaron formulaciones continuas para medir el Riesgo de la Pipa.



Se aplica al modelo teórico, con la debida consideración de que la

explotación a lo largo del tiempo, conlleva un debilitamiento debido, entre

otras, a las siguientes causales:

incremento permanente de la altura libre del cono;

efecto creciente de excentricidad de las cargas verticales;

acciones sísmicas que sobrepasen niveles máximos de deformaciones elásticas;

acciones degradantes continuas debidas a daño, de tipo acumulativo a

una tasa anual d, tales como las debidas a sismos menores de alta frecuencia de ocurrencia;

reducción instantánea r de las capacidades resistentes debida a efectos

tales como: presión de poros, temperatura, creep y tensiones de origen tectónico.



Capacidad Discreta

Csc: Coeficiente Sísmico para el que se agota la Capacidad resistente de la pipa

W H

V=CsW

Modelo de Análisis

Pushover

sc

Csc

Cs

Curva Pushover



Capacidad continua (evolutiva)

año 2002 2007 2012 2017 2022 .....

Csc

Valor discreto

curva de ajuste

W H

V=CsW

W H

V=CsW

W H

V=CsW

W H

V=CsW

W H

V=CsW



Capacidad Crítica Reducida C’sc, debida a daño

( ) ( )



Demanda Sísmica Continua en el Sitio

Los estudios geofísicos de tipo probabilístico desarrollados en este estudio, permiten determinar la Demanda Sísmica Continua para fuentes sísmicas costera y superficial.



Curvas de Demanda

0.00

0.05

0.10

0.15

0 10 20 30 40 50

Tiempo de Exposición

(medido en años a partir de 2003)

Cs

d (

% p

es

o)

Costero RS= 0.10

Superficial RS= 0.10



Curvas Capacidad - Demanda

Capacidad para Kd=50%; r=0.00; d=0.00

Demanda para RS=10%

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0 10 20 30 40 50

Tiempo de Exposición (años)

Cs' (%

pes

o)

Costero

Superficial



Riesgo Potencial de Daño Sísmico

Se mide a través del Factor de Seguridad Sísmico Fss dado por



Factor de Seguridad Sísmico

Método Probabilístico para RS=10%


0.1

1.0

10.0

100.0

0 10 20 30 40 50



Fss Costero

Superficial



Riesgo Potencial de Daño Sísmico, Demanda determinística

Factor de Seguridad Sísmico

Método Determinístico


0.1

1.0

10.0

100.0

0 10 20 30 40 50



Fss

I= 6.0

I= 6.5

I= 7.0

I= 7.5

I= 8.0

I= 8.5

I= 9.0

I= 9.5

I= 10.0



Conclusiones

1. Se observa un importante aumento en el potencial de explotación en

relación a lo obtenido en los estudios lineales preliminares.

2. Existe una muy satisfactoria concordancia entre la demanda sísmica de tipo

probabilístico con la de tipo determinístico, para Intensidades en torno a VIII,

para fuente sísmica costera.

3. La explotación, en estos términos, se puede extender desde 23 años hasta

33 años, a contar de 2002, según se trate de una fuente sísmica superficial

o costera, respectivamente.

4. En estas conclusiones no se incorporan degradaciones de rigidez debidas a

deterioro por causas acumulativas (d) o instantáneas (r), pero deberán

observarse y tomar las precauciones correspondientes, en caso de

ocurrencia.

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