Diseo ssmico de puentes

Diseo ssmico de puentes Alumno: Luis Alonso Ceja VelazcoIngeniera ssmicaEnfoque didctico

Imagen derecha: el puente Cleft

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ObjetivoInformarle al receptor las bases y lo necesario sobre las formas de proyectar un puente estndar resistente a sismos, con la ayuda de reglamentos y/o manuales vigentes.

Claros entre apoyos de hasta 100 m Construidos con concreto de peso normal, acero estructural o mixtos Elementos de la superestructura continuos o articulados con la subestructura, o bien, simplemente apoyados Apoyos convencionales Subestructura formada por pilas y estribos o caballetes Cimentaciones a base de zapatas, pilotes o pilas Suelo no susceptible de licuacin Distancia a cualquier falla activa > 15 km en los que se produzcan efectos de campo cercano Estas recomendaciones cubren principalmente el diseo ssmico de puentes estndar en los que lasacciones ssmicas horizontales son resistidas bsicamente por la flexin de las pilas y los efectossobre los estribos. Quedan excluidos los puentes en arco, atirantados, colgantes, mviles, flotantes,de madera y de mampostera.

Imagen izquierda: Puente de Paris, Pont NeufImagen derecha: Puente de la Pennsula Ibrica, sobre el rio mente2

PuenteEstructura que forma parte de caminos, carreteras y lneas frreas y canalizaciones, construida sobre una depresin, rio, u obstculo de cualquier tipo

Izquierda: Puente Millau, En Aveyron, FranciaDerecha: puente Golden gate

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Partes de los puentesSuperestructura (tableros, armaduras, riostras, etc)Infraestructura (pilas, cimientos, estribos, etc.)

Izquierda: Woodrow Wilson, Washington. Sobre el rio Potomac4

Criterio de diseo

No se toman en cuenta los puentes en arco, atirantados, colgantes, mviles, flotantes, de madera ni de mampostera6

Clasificacin de los puentes segn su destinoGrupo B: puentes comunesGrupo A: puentes que deben seguir en funcin despus de temblores.

Filosofa de diseo Se proponen dos niveles de estados lmites para el diseo ssmico de los puentes:El nivel de servicioEl nivel de prevencin del colapso

Efectos combinados de los movimientos del terrenoLos efectos resultantes en las dos direcciones ortogonales, tales como desplazamientos y elementos mecnicos, se combinarn empleando la raz cuadrada de la suma de los cuadrados.

RS = (RSX2 + RSY2)

Debido a que algunas estructuraciones de puentes son capaces de ser afectados por movimientos verticales, el valor que se toma en cuenta es de 2/3 del valor de la componente horizontal mayor.

Correccin por amortiguamieto y sobrerresistenciaSi se da el caso que se utilizan aisladores en la base del puente, se produce un incremento en la capacidad de disipacin de energa, lo que provoca una modificacin en el espectro de diseo.

Amortiguamiento: fenmeno por el cual se disipa energa mecnica en un sistema. Es igual a la fuerza de oposicin al movimiento del cuerpo entre la velocidad que genera dicha fuerzaRigidez: Es aquello que opone resistencia y que no pode ser toblado ni torcido que se le es aplicada fuerza. Se calcula dividiendo la fuerza aplicada, entre el desplazamiento sufrido por dicha fuerza.11

Amortiguamiento: fenmeno por el cual se disipa energa mecnica en un sistema. Es igual a la fuerza de oposicin al movimiento del cuerpo entre la velocidad que genera dicha fuerzaRigidez: Es aquello que opone resistencia y que no pode ser toblado ni torcido que se le es aplicada fuerza. Se calcula dividiendo la fuerza aplicada, entre el desplazamiento sufrido por dicha fuerza.12

Ductil: Algo que, bajo la accion de una fuerza, puede deformarse sin llegar a romperse.13

Periodo: el tiempo que este se demora en completar un ciclo de vibracion (ir y volver)14

Si se da el caso en que no se tienen datos suficientes, se sugiere tomar los valores de la siguiente tabla para los porcentajes de amortiguamiento de los principales componentes estructurales. Tomar en cuenta que no se permite que sis > 30% en ningn caso.

Se aplicar un factor de sobrerresistencia (FR) para reducir las ordenadas espectrales. Se recomienda usar un valor de FR=1.5

Mtodos de anlisis

Anlisis esttico lineal (AEL)Mtodo para calcular las demandas de desplazamiento y de fuerza en estructuras donde el anlisis dinmico no proporcione informacin adicional significativa sobre el comportamiento.

Adecuado para puentes que su forma de reaccionar en su primer modo de vibrar es fundamental.

Puente derecha: Motin de Oro, en MichoacanPuente izquierda: Quiroga, en hermosillo17

Requisitos de un puentes comnEl terreno de cimentacin tiene un factor de sitio menor o igual a 1.5 El puente tiene eje longitudinal recto o con curvatura horizontal reducida.Existe simetra transversal respecto al centro del claro.No hay cambios bruscos de rigidez y masa en los apoyos, exceptuando los estribos.El ngulo de esviajamiento es menor que 15 grados. El ancho de la superestructura es igual o mayor que un cuarto del claro entre apoyos. Los claros entre apoyos son menores que 50 m.En puentes continuos que tengan menos de cinco claros.

Desplazamiento y fuerza horizontal esttica equivalente PsLas demandas de desplazamiento se obtienen del espectro de diseo de desplazamientos, en funcin del periodo fundamental de la estructura.

Para la revisin por resistencia, se considera para cada direccin de anlisis, el efecto de una fuerza horizontal esttica equivalente Ps, aplicada en el centro de gravedad de la superestructura.

Ps = kp * xmaxDonde:kp: es la rigidez secante de la pilaxmax: es el desplazamiento mximo, correspondiente al estado lmite con el que se disea

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Anlisis dinmico lineal (ADL)Se lleva a cabo para saber las demandas de desplazamiento y de fuerza en cualquier puente estndar, y se debe utilizar en casos en que no se satisface alguno de los requisitos descritos en el AEL.

El Mtodo dinmico lineal se lleva a cabo mediante un anlisis modal espectral.

notas21

Anlisis esttico no lineal (AENL)Tambin conocido como el mtodo del empujn, se desarrolla para determinar la cantidad de desplazamiento que alcanza un puente hasta llegar a la formacin del mecanismo de colapso y consiste en analizar la estructura bajo carga gravitacional constante y cargas laterales montonas crecientes que representan los efectos ssmicos horizontales.

Mtodo paso a pasoSirve para obtener la respuesta temporal de la estructura al integrar las ecuaciones de movimiento. La accin ssmica se toma como un conjunto de registros temporales de movimientos del terreno, de dos o tres componentes, aplicados en los apoyos del modelo.Este mtodo debe utilizarse para puentes de especial importancia y, si se desea, puede usarse para puentes comunes. Adems, ayuda a determinar la respuesta inelstica del modelo para comparar las ductilidades locales requeridas y las disponibles

Diseo de pilas

El diseo de las pilas es un procedimiento de diseo basado en los desplazamientos. Basndolo en ellos, se mejora la fiabilidad en el proceso de diseo, ya que se relaciona ms directamente la respuesta y el comportamiento que se espera de la estructura.

Se pretende que el tablero y el resto de los elementos que conforman la superestructura del puente se mantengan dentro del lmite elstico, y que las columnas sean las responsables de disipar la energa que le llega al puente a travs de la rotacin de las articulaciones plsticas.

Demanda de desplazamientosPara determinar las demandas de desplazamiento sobre el puente como un sistema global o de alguno de los mdulos o elementos individuales que lo forman, deber considerarse la flexibilidad y disipacin de energa de la estructura, de los apoyos y de la interaccin sueloestructura, dndose el caso que su contribucin a la respuesta global del sistema sea significativa

Capacidad de desplazamiento de las pilasSe obtiene de su capacidad de rotacin, obtenida a partir de la relacin momento curvatura de la seccin donde se predice la formacin de la articulacin plstica.

Ductilidad de desplazamientoLa demanda de ductilidad para las pilas de concreto no debe de exceder los valores indicados en la tabla a continuacin:

La capacidad de ductilidad para pilas que no se comportan como voladizos puede calcularse a partir de un elemento equivalente como se muestra a continuacin:

Demanda y capacidad de resistenciaAdems de cumplir con los requisitos de desplazamiento, la estructura debe revisarse para que pueda resistir las fuerzas que se generan cuando se disea para el estado lmite de colapso, es decir, antes de que se forme el nmero de articulaciones plsticas necesario para que se produzca un mecanismo de colapso

Condiciones de diseo para fallas de tipo fragilLas fuerzas cortantes y momentos flexionantes en las pilas, formadas en las articulaciones plsticas, se obtendrn utilizando un factor de sobreresistencia FR=1.5 que se aplicara al momento plstico de diseo de la seccin como se muestra a continuacin:

Masa adherida en pilas sumergidasSi las pilas estn sumergidas, se recomienda que se realice un estudio del efecto de la interaccin hidrodinmica. Este efecto se calcula con un resultado aproximado incluyendo una masa adherida de agua por unidad de longitud de pila sumergida.

Diseo de otros elementos

La superestructuraComnmente la superestructura contiene los elementos crticos de puentes estndar para las acciones de tipo ssmico. Por esto mismo, las articulaciones plsticas deben desarrollarse en las pilas del puente y la superestructura se debe mantener en el intervalo elstico.

Se colocarn diafragmas transversales entre vigas, en los extremos de los claros.

Las secciones cajn son apropiadas para el diseo ssmico cuando se considera una conexin monoltica entre pilas y superestructura.

Apoyos

Los apoyos debern disearse para soportar las cargas verticales y horizontales que puedan presentarse.

Se pueden colocar apoyos que permiten la rotacin nicamente, o aquellos que permiten desplazamientos laterales en una o ms direcciones

Deber tomarse en cuenta la fuerza horizontal que los apoyos son capaces de transmitir para el diseo de la superestructura y la subestructura. La fuerza horizontal depende del diseo del apoyo y de la restriccin debida a la existencia de topes ssmicos.

El nmero, forma y dimensiones en planta de los apoyos de hule se determinan segn las cargas verticales, mientras que el espesor se define a partir del desplazamiento lateral mximo y del periodo de vibracin. Se debe determinar la rigidez lateral que deben tener los apoyos, segn la carga lateral que impacte sobre el puente. El periodo de vibracin lateral del apoyo Ta se calcula por:

El amortiguamiento de los apoyos de hule laminados se puede suponer igual al 5% del crtico. El desplazamiento del apoyo de hule mximo permitido b es:

Si se pierde apoyo, se puede impedir la circulacin de vehculos sobre el puente, por lo que se recomienda el uso de topes ssmicos y/o dispositivos que limiten el movimiento longitudinal y transversal del puente como segunda lnea de defensa.

Juntas de expansin

Estos elementos permiten el movimiento de la superestructura, y al mismo tiempo evitar el golpeteo entre elementos o mdulos del puente al producirse un sismo. Adems, permiten que el puente o cada mdulo vibren de manera independiente durante un temblor

En el clculo de la dimensin mnima de la junta de expansin s se considera, el desplazamiento longitudinal por sismo de ambos mdulos del puente unidos por la junta, mediante la siguiente ecuacin:

Se tomar en cuenta que la junta puede estar en el extremo de un tablero o en algn apoyo intermedio. Si la junta se localiza sobre un estribo, entonces s2 = 0 y s = s1:

Video

Longitud mnima de asiento

Si los distintos componentes o mdulos del puente vibran fuera de fase, es posible que se presenten grandes desplazamientos relativos; por tal motivo debe proporcionarse una longitud suficiente de asiento para evitar la cada de la superestructura

Topes ssmicos

El tope ssmico se dimensiona para que resista simultneamente una fuerza cortante Ps y el momento flexionante asociado a ella, que acta en la interfaz entre mnsula y cabezal

Restriccin del movimiento longitudinal en las juntas

La proteccin primaria debe proporcionarse mediante una longitud adecuada de asiento y considerar estos dispositivos como un sistema de proteccin secundario para evitar la prdida de apoyo.

Mtodo de CALTRANS1. Se calcula la longitud del dispositivo (cable), su deflexin mxima permisible y la deflexin lmite del bastidor.2. Calcular la longitud mxima de desplazamiento del terremoto en ambos lados de la unin de la superestructura que se va a considerar.

3. Comparar los desplazamientos mencionados en el paso 1 y 2 y tomar el caso ms desfavorable.4 . Determinar el nmero de dispositivos de restriccin totales que se requieren para satisfacer dicho caso.

5. Revisar la deflexin del sistema de restriccin y revisar la restriccin y/o la rigidez asumida de la columna si es necesario. Se pueden repetir los pasos del 1 al 5 si es necesario.

Mtodo de AASHTODeterminar la fuerza de enlace longitudinal como el producto del coeficiente de aceleracin en el sitio del puente (en trminos de g) y el peso del claro que se tiene en consideracin.Determinar el nmero de dispositivos de restriccin al dividir el rea del dispositivo requerido entre el rea de un dispositivo que se tiene a disposicin.

Puente libramiento Ensenada

ReferenciasAmerican Association of State Highway and Transportation Officials. (1996). Standard Specifications for Highway Bridges. New York: AASHTO.Ayud, A. E., Garcia, F. A., & al, e. (2008). Manual de diseo de obras civiles, diseo por sismo. Mexico: Comision Federal de Electricidad.California Department of Transportation. (1989). Bridge Design Aids. California: CALTRANS.Caltrans. (2004). Seismic Design Criteria. Caltrans, 97.European Committee for Standardization. (2003). Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Part 2:Bridges. Eurocdigo 8, 137.Jara, M., & Casas, J. R. (2002). Criterios de diseo de puentes con aisladores y disipadores de energa. Monografias de Ingenieria Sismica, 115.Plasencia, J. E. (1998, Enero 06). Cosas basicas. Retrieved from Galeon.com: http://puentes.galeon.com/cosasbas/cosasbasicas.htmPorto, J. P., & Merino, M. (2008). Definicion de diseo. Retrieved from Definicion.DE: http://definicion.de/diseno/Porto, J. P., & Merino, M. (2010). Definicion de sismo. Retrieved from Definicion.DE: http://definicion.de/sismo/Porto, J. P., & Merino, M. (2012). Definicion.DE. Retrieved from Definicion de puente: http://definicion.de/puente/Reza, E. O., Dominguez, B. G., & al, e. (2015, Julio). Manual de diseo de obras civiles. Mexico D.F, Mexico.Vlassis, A. G., Maragakis, E. M., & Saiidi, M. S. (2000). Experimental evaluation of seismic performance of bridge restrainers. Reno: MCEER.

Gracias

Bridge Trestle Trail High, sobre el rio Des Moines en Iowa77