comparacion normas sismicas

7/16/2019 COMPARACION NORMAS SISMICAS

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RESUMENEste trabajo esta orientado a revisar las normas ssmicas ms utilizadas para puentes continuos en el Per y sus mtodos de

anlisis. Se revisan principalmente: la norma AASHTO STANDARD, AASHTO LRFD, CALTRANS y la Norma Ssmica para Puentes de

Japn. Tambin, se discute la propuesta de norma para puentes del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Per y se revisa la

NTE E.030. Por otro lado, se revisan en forma referencial, normas ssmicas de puentes de Chile, Venezuela y Canad.

El objetivo principal es comparar las consideraciones ssmicas de estas normas para puentes continuos vehiculares, tales como los que seencuentran en vas expresas, puentes urbanos de carreteras tanto principales como secundarios, cuya superestructura est compuesta

por losas, vigas T, vigas cajn y/o tijerales; adecundolas a las condiciones usuales en el Per.

Para ello se compara los coeficientes de aceleracin (Z), clasificacin por importancia, coeficientes de sitio (S), coeficiente de

respuesta ssmica (Espectro de respuesta elstico), factores de reduccin de fuerza ssmica (R), desplazamientos de diseo y

combinaciones ortogonales de fuerza ssmica.

Se definen conceptos de regularidad de puentes y requerimientos mnimos de anlisis ssmico para puentes. Se describe en forma

detallada los mtodos de anlisis ssmicos elsticos. Tambin, se dan criterios acerca de juntas ssmicas, topes transversales ydirecciones actuantes de las fuerzas de inercia.

El trabajo se orient a proponer una Norma de Diseo Ssmico de Puentes en el Per y discutir la propuesta hecha por el Ministerio

de Transportes y Comunicaciones. Se presenta un ejemplo prctico, utilizando los mtodos de anlisis considerados.

Finalmente, se concluye que es conveniente utilizar la propuesta de norma de este estudio de investigacin, ya que se puede lograr un

buen comportamiento de los puentes ante eventos ssmicos.


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Agradec imientos

Agradezco a todos los Ingenieros docentes que me brindaron sus conocimientos en la Pontificia UniversidadCatlica del Per, durante los dos aos que permanec en la Maestra de Ingeniera Civil. Un agradecimiento muy especialal Mag. Daniel Roberto Quiun Wong, un amigo que me apoy en forma constante e incondicional, gracias por susconsejos, su tiempo y experiencia; sin su apoyo no podra haber culminado esta tesis.

Al profesor Shigeki Unjoh de la Public Works Research Institute de Japn por la informacin brindada en formadesinteresada; al profesor William Lobo Quintero de la Universidad de los Andes de Venezuela; al profesor Izuno de laUniversidad de Ritsumeikan; al profesor Denis Mitchell de la Universidad McGill de Canad y a los profesores RichardLand, y Michael Banbuor de la CALTRANS.

Con todo mi cario a Silvana Faride Ojeda Simborth por su apoyo y afecto a mi persona en el desenlace de este trabajo.A mis amigos Ingenieros Miriam Choquehuanca Condori, Marybel Alfrez Martnez, Karhell Alfrez Martnez JessVergara Ramrez, Julin Mejia Ziga, Rodwer Huancahuari Palomino, Fredy Perales Tovar, Manuel Monroy Concha,Efran Martnez Fabin, Joen Bazn Arbildo, Guido Molina, Nicola Tarque, Armando Arana Mostacero y Andrey

Aparicio Ventura.

Todo esto no pudo ser posible sin el apoyo de mi familia, mi madre la Sra. Mara Martnez Maraza, mi padre el Sr.Ignacio Acero Gmez y mi hermana Hilda Acero Martnez, a los que les agradezco por su comprensin y pacienciadurante todos estos aos.


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INDICE

CAPITULO IINTRODUCCIN Y ANTECEDENTES

1.1.Antecedentes1.2.Objetivos3. Alcances y metas4. Propsito y filosofa sismorresistente

5. Revisin de los cdigos ssmicos para puentes

1681414

CAPTULO IIREQUERIMIENTOS GENERALES

1. Coeficiente de aceleracin 161. Norma sismorresistente E-030. 172. AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD 193. Norma Japonesa 214. CALTRANS 215. Propuesta de Reglamento del MTC 226. Comentario. 22

2. Clasificacin por Importancia. 231. AASHTO STANDARD 232. AASHTO LRFD 233. Reglamento Japons 244. CALTRANS 245. Propuesta de Reglamento del MTC 256. Comentario 26

3. Efectos de sitio o coeficiente de sitio. 261. Norma Sismorresistente E-030 272. Cdigos AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD 283. Reglamento Japons 284. Cdigo CALTRANS 295. Propuesta de Reglamento del MTC 296. Comentario 30

4. Coeficiente de Respuesta Ssmica Elstica(Espectro Elstico) 30

1. Norma Sismorresistente E-0302. Cdigo AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD3. Reglamento Japons4. CALTRANS5. Propuesta de Reglamento del MTC6. Comparacin de espectros7. Comentario

33343538393943


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4

5. Factor de Modificacin de Respuesta(R)1. Cdigo AASHTO STANDARD2. Cdigo AASHTO LRFD3. Reglamento Japons4. CALTRANS5. Propuesta de Reglamento del MTC6. Comentario

44444546464747

CAPTULO IIIREQUERIMIENTOS DE ANLISIS.

3.1.3.2.

Criterios de regularidad.Procedimientos de anlisis1.Mtodo simplificado o de carga uniforme(UL)2. Mtodo de Anlisis espectral unimodal(SM)3. Mtodo de Anlisis espectral multimodal(MM)4.Mtodo de Anlisis tiempo historia(TH) Requerimiento deanlisis de los cdigos estudiados5. Cdigo AASHTO STANDARD6. Cdigo AASHTO LRFD7. Cdigo Japons8. CALTRANS

4850505254565757585859

3.3.

3.3.5. Otros mtodos utilizados por los cdigos estudiados 60

CAPTULO IV REQUERIMIENTOS DE DISEO4.1.4.2.

Combinacin ortogonal de fuerzas ssmicasDesplazamientos de diseo1. AASHTO STANDARD2. AASHTO LRFD3. Cdigo Japons4. CALTRANSJuntas Ssmicas TopesTransversalesDirecciones actuantes de las fuerzas de inercia

616363656667696971

4.3.4.4.4.5.

CAPTULO VPROPUESTA DE NORMA PARA EL DISEO SSMICO DE PUENTES EN EL PER

5.1.5.2.5.3.5.4.5.5.

AlcancesPropsito y filosofa sismorresistente para puentesNomenclatura y notacionesDefiniciones Requerimientosgenerales1. Zonificac in Ssmica2. Aceleracin mxima del terreno

73737476787879


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3.Clasificacin por importancia4. Efectos de sitio o coeficiente de sitio5. Coeficiente de Respuesta Ssmica Elstica6.Factor de Modificacin de Respuesta(R) Regularidadestructural de puentesMtodos de anlisis1.Mtodo Simplificado o de carga uniforme(MCU)

2. Mtodo de Anlisis espectral Unimodal(MEU)3. Mtodo de Anlisis espectral Multimodal(MEM)4.Mtodo de Anlisis tiempo-historia(MTH) Seleccin delmtodo de anlisisCriterios de combinacin para las fuerzas horizontales ortogonalesDesplazamientos de diseo JuntasSsmicas Topes TransversalesDirecciones actuantes de las fuerzas de inercia

80808182848585

88899292

5.6.5.7.

5.8.5.9.

9394969697

5.10.5.11.5.12.5.13.

CAPTULO VIAPLICACIN A UN CASO PRACTICO

6.1. Caractersticas geomtricas del puente1.Ubicacin poltica y geogrfica2. Topografa

3. Geologa4. Geotecnia5. Hidrologa y socavacin6. Peligro Ssmico7.Amplificacin Ssmica Caractersticasgeomtricas del puente8.Dimensionamiento de la superestructura9.Dimensionamiento de la subestructura Consideraciones tomadaspara el anlisis ssmico de un puente10. Zonif icacin ssmica11. Clasificacin por importancia12. Efectos de sitio

13. Regularidad del puente14. Eleccin y aplicacin del mtodo de anlisis15. Anlisis Espectral Unimodal (MEU)

100100101

102103103104107110110114

6.2.

6.3.115115115115116116116116

6.3.6.1.6.3.6.2.

Anlisis Computacional Determinacin delperiodo principal con el mtodo de valores propiosDeterminacin del periodo principal con mtodoaproximado

1186.3.6.3.

123124128129

7. Anlisis Espectral Multimodal (MEM)8. Anlisis Tiempo Historia (MTH)9. Comparacin de Resul tados


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6

10. Fuerzas a considerar en los Pilares y los factores deModificacin de Respuesta (R) utilizados

11. Desplazamientos de diseo12. Juntas ssmicas

130131131

CAPTULO VIICOMPARACON DE LA PROPUESTA DE NORMA DEL M.T.C. Y LA DE ESTE TRABAJO

133

CAPTULO VIIICONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 136

Referencias Bibliogrficas 141


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CAPTULO I

INTRODUCCIN Y ANTECEDENTES

1.1. Antecedentes

La sismicidad histrica del Per, nos muestra la ocurrencia de sismos destructivos

desde el siglo XVI hasta el presente, con un saldo muy grande de prdidas humanas

y materiales. Como se tiene la certeza, de que donde han ocurrido sismos pasados

ocurrirn movimientos de intensidad similar, obliga a tomar las medidas preventivas

pertinentes.

Entre las estructuras vulnerables se encuentran los puentes, como elementos

esenciales de comunicacin, los cuales deben permanecer en funcionamiento despus deun sismo.

Para ilustrar los efectos ssmicos sobre este tipo de estructuras, Pueden mencionarse las

fallas de puentes durante sismos pasados, como en el terremoto de Alaska del 27 de

Marzo de 1964 (Figura N 1.1), que derrumb 9 puentes y ocasion daos en otros

26; el fuerte sismo de Niigata (Japn) del 16 de Junio de 1964 (Figura N 1.2),

donde se experimentaron grandes movimientos de los pilares de varios puentes; el sismo

de San Fernando (California) del 9 de Febrero de 1971 (Figura N 1.3), que afect 62

puentes con un 25% de daos muy severos o ruina total; e igualmente se tuvieron daos

muy graves en puentes durante los terremotos de Guatemala (1976); Friuli, en Italia

(1976); Miyagi-Ken-Oki, en Japn (1978) y en los ltimos aos los terremotos de

Northridge (California) del 17 de Enero de 1994 (Figura N 1.4) y de Kobe (Japn) del

17 de Enero de 1995 (Figuras N 1.5 y 1.6).


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Figura N 1.1. Colapso de p uente en la local id ad de Portag e. Sismo d e Alaska (27/03/1964).

Figura N 1.2. Colapso de puent e, debido a grand es desplazamientos.Sism o de Niigat a (16/06/1964).


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Figura N 1.3. Colapso d e pu ente. Sismo de San Fernando (09/02/1971).

Figura N 1.4. Colapso de puente. Terremoto de No rthridg e (17/01/1994).


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Figura N 1.5. Colapso de p uente. Terremoto de K obe (17/01/1995).

Figura N 1.6. Colapso de p uente. Terremoto de K obe (17/01/1995).

El Per tambin tuvo daos de puentes durante los sismos de Huaraz del 30 de Mayo de 1970 (Figura N 1.7); el sismo de Arequipa del 16 de

Febrero de 1979 (Figura N 1.8); el sismo de Nazca del 12 de Noviembre de 1996 (Figura N 1.9) y recientemente el sismo de Atico del 23 del Junio

del 2001 (Figura N 1.10).

4


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Figu ra N 1.7. Dao en apo yo d e puen te. Puente Casm a. Terremo to de Hu araz

(31/05/1970).

Figu ra N 1.8. Dao en ap oyo de p uen te. Terremo to de A requ ipa (16/02/1979).

5


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Figu ra N 1.9. Dao en sub estru ctu ra. Sism o d e Nazca (16/11/1996).

Figura N 1.10. Ladeo lateral perm anente de sup erestructura. Puente de la Punta d e

Bom bn. Sismo d e Atico (23/06/2001).

1.2. Objetivos

El objetivo principal de este trabajo es comparar las consideraciones ssmicas de los

reglamentos extranjeros para el anlisis ssmico y diseo estructural de puentes continuos

vehiculares, tales como los que se encuentran en vas expresas, puentes carreterostanto principales como secundarios, cuya superestructura est compuesta por losas,

vigas T, vigas cajn y/o tijerales; adecundolas a las condiciones usuales en el Per.

Finalmente, se presenta una propuesta de Norma de Diseo Ssmico para puentes y

la aplicacin a un caso prctico en el que se comparan diferentes mtodos de anlisis

ssmico.

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Dentro de los objetivos especficos se encuentran:

- Revisar en forma detallada los cdigos AASHTO STANDARD[Ref. 1], AASHTO-LRFD[Ref. 2], CALTRANS[Ref. 3],

el Manual para Diseo Ssmico de puentes Japons[Ref. 4], la NTE E.030[Ref. 5], la Propuesta de Reglamento de Puentes de la

Direccin General de Caminos y Ferrocarriles del Ministerio de Transporte y Comunicaciones[Ref. 6].

- Asimismo, se revisan en forma referencial la Propuesta de Norma Ssmica de Puentes de Venezuela[Ref. 7], el Reglamento de

Diseo Ssmico de puentes de Chile[Ref. 8], el EUROCODE[Ref. 9], la FHWA[Ref. 10], el ATC-6[Ref. 26], el ACI 341.2R-97[Ref.

35], el ATC-32[Ref. 36] y el Reglamento Ssmico para puentes de Canad[Ref. 37].

- Analizar y comparar la clasificacin de los puentes de acuerdo a su importancia.

- Revisar y comparar los efectos de sitio de acuerdo a las condiciones del suelo.

- Comparar los espectros de respuesta de los diferentes cdigos [Ref. 1 @ 4] y de la norma NTE E.030[Ref. 5], realizando una

propuesta adecuada para la estructura de los puentes.

- Revisar y comparar los factores de modificacin de respuesta.- Desarrollar los mtodos de anlisis ssmico que proponen la mayora de normas o especificaciones para determinar las

fuerzas elsticas y desplazamientos en puentes.

- Comparar la combinacin de la respuesta ssmica en sus direcciones ortogonales.

- Determinar los requerimientos mnimos de ancho de apoyo para los puentes segn cada especificacin.

- Presentar una Propuesta de Norma para el Diseo Ssmico de Puentes en el Per.

- Exponer un ejemplo prctico de un puente continuo, aplicndole una propuesta de norma para el Per, y adicionalmente,


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someterlo a registros peruanos en un programa de anlisis estructural.

- Comentar la influencia que tienen los sismos en el diseo de puentes continuos.

1.3. Alcances y metas

Mediante revisin de la bibliografa se determinarn los parmetros que considera cada norma, adecundolas a la realidad peruana; esto se harbasndonos en estudios ya realizados tales como: zonificacin ssmica, coeficientes de sitio y otros. Finalmente, se deber obtener un resumen

general que puede servir de gua para diseadores y para estudios subsecuentes que se realicen en puentes.

Las consideraciones que se determinarn sern aplicables para el anlisis y diseo de nuevos puentes rectos y para algunos puentes

curvos con limitaciones luego mencionadas. Estos puentes deben tener una longitud total no mayor que 150 m y su superestructura puede estar

compuesta por losas, vigas T, vigas cajn y/o tijerales. La limitacin de 150 m se debe a que la superestructura pierde rigidez al ser sensible a

oscilaciones inducidas por el sismo o viento. Los puentes colgantes, de voladizos sucesivos, de arco, no son contemplados por este estudio, por

tener especificaciones especiales.

Como se mencion anteriormente, el resultado final es redactar una gua bsica y til de anlisis y diseo ssmico para los puentes de los tipos

mencionados, plasmada en una propuesta de norma.

Los puentes a ser incluidos en la propuesta de norma sern puentes continuos que se encuentran en gran parte de la ciudad de Lima y en

otras ciudades del Per, tanto urbanos como rurales. En las figuras N 1.11 @ N 1.25, se muestran puentes sobre la Va Expresa (Paseo de la

Repblica) y de la Av. Javier Prado, en los que esta propuesta es aplicable.


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Figura N 1.11. Puente con tinuo de con creto armado

de tres tramo s (Puente Javier Prado),

sob re la Va Exp resa.

Figura N 1.12. Puente con tinuo de con creto

arm ado d e tres tram os (Puen te And rs

Reyes), so bre la Va Exp resa.

Figu ra N 1.13. Pilares del Puent e An drs Rey es,

sob re la Va Expr esa. Se ob servauna secc in reduc ida en la base del

pi lar.


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Figura N 1.14. Puente con tinuo de tres

tramos (Puente Canaval y Moreyra), sobre la

Va Ex pr esa.

Figura N 1.15. Vigas y conexio nes de

acero estructu ral del Puente Canaval y

Moreyra.

Figura N 1.16. Puente con tinuo curvo

Coronel Franc isco Bolognes i , sobre la

Av. Javier Prado.


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Figura N 1.17. Puente contin uo curvo Co ronel Francisco B olog nesi, se observa

columnas en form a de V, con p oca r ig idez transversal .

Figura N 1.18. Subestruct ura del puente cu rvo Coro nel Francisco Bol ogn esi, se

muestra secc in cajn en apoyo interno.

Figura N 1.19. Puente con tinuo recto, sobre la Av . Javier Prado (Puente Circunvalacin).

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Figura N 1.20. Puente Circunv alacin, se observ a colum nas en form a de V, con p oca

r ig idez transversal . Ex is ten d os puentes juntos.

Figura N 1.21. Puente Circ unvalacin, pareciera q ue n o t iene un a jun ta ssmic a

suf ic iente entre las dos superestruc turas.

Figura N 1.22. Puente cont inuo de dos tramos (Puente Av . Aviacin), sobre la Av.

Javier Prado.

12


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Figura N 1.23. Puente contin uo de do s tramos (Puente Av . Guardia Civi l ) , sobre la Av.

Javier Prado.

Figura N 1.24. Puente co ntinu o de dos tramos (Puente Quiones), sobr e la Av . Javier

Prado.

Figu ra N 1.25. Pilares del Pu ente Qu ion es, sob re la Av. Jav ier Prado . Se ob serv a unaseccin redu cida en la base del pi lar, sim i lar al del puente An drs Reyes.

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1.4. Propsito y filosofa sismorresistente para puentes

La filosofa sismorresistente de todos los cdigos extranjeros ya mencionados,

indican que los puentes deben:

- Resistir sismos menores dentro del rango elstico de los componentes

estructurales sin sufrir daos.- Resistir sismos moderados dentro del rango elstico con algn dao reparable.

- Resistir sismos severos sin llegar al colapso del conjunto o una parte del

puente; se aceptan daos, los cuales deben ser detectados fcilmente y

ocurrir en lugares accesibles para su inspeccin y reparacin.

- Se deben utilizar magnitudes realistas para el sismo de diseo.

Durante un sismo leve y moderado la estructura debe comportarse en el rango elstico, y

al actuar un sismo severo, debe poder incursionar en el rango no lineal o inelstico,

para lo cual debe tener la resistencia y ductilidad suficiente para disipar energa.

1.5. Revisin de los Cdigos Ssmicos para puentes

La norma actual sismorresistente NTE E.030 [Ref. 5], del Reglamento Nacional de

Construccin en el Per (2003) y las anteriores tambin (1997 y 1977), han sido

concebidas para edificaciones y no incluye a los puentes. Por lo tanto, en el Per se

utiliza una gran diversidad de cdigos ssmicos para puentes, cada cual adecuado a sus

condiciones.

Entre los ms utilizados en el Per [Ref. 32, 38 y 39] son: el AASHTO STANDARD

(1996), el AASHTO LRFD (1998), el CALTRANS (2001) y el

Manual para Diseo Ssmico de puentes Japons (1998 y 2002); en la ltima dcada

se considera tambin el reglamento de puentes neozelands y el

EUROCODE8 [Ref. 9], para poder evaluar el comportamiento ssmico de un

puente. Estas normas no pueden reflejar


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15

adecuadamente el comportamiento ssmico estructural, ya que dichos cdigos estn elaborados para las condiciones del pas de origen.

El AASHTO STANDARD vigente, es del ao 1996 y su edicin es la 16va; sin embargo, la AASHTO STANDARD va a producir su ltima edicin, y de all para

adelante, slo publicar AASHTO LRFD(la norma vigente es de 1998 - 2da Edicin), en la cual existen algunas modificaciones en cuanto a las consideraciones

ssmicas. El CALTRANS es otro reglamento cuya ltima edicin fue en el 2001, vigente slo para el estado de California, el cual tiene algunas consideraciones ms

exigentes que los dos anteriores; fue ampliado y mejorado a causa del terremoto de Northridge(1994). Por ltimo, el Manual para Diseo Ssmico de puentes

Japons del ao 2002, presenta algunos cambios con respecto al de 1996, a raz del terremoto de Kobe-Japn(1995); este Manual contiene consideraciones importantes.

En el Per ltimamente ha sido publicada una propuesta de norma para puentes del Ministerio de Transportes y Comunicaciones[Ref. 6], en donde se incluye

consideraciones ssmicas. Si bien es cierto esta propuesta ha sido adaptada para las condiciones locales en una forma sucinta, es una trascripcin basada en el

reglamento AASHTO-LRFD, y que an falta mejorar; adems, esta propuesta no hace nfasis en los mtodos de anlisis ssmico.

Existen otros reglamentos que se han consultado entre ellos se tiene la Propuesta de Norma Ssmica de Puentes de Venezuela[Ref. 7], el Reglamento de Diseo

Ssmico de puentes de Chile[Ref. 8], estas dos normas han sido adaptadas de acuerdo al AASHTO STANDARD; otro cdigo es el EUROCODE8[Ref. 9], el cual toma

algunas consideraciones del Cdigo Japons[Ref. 4]; la FHWA[Ref. 10], el ATC-6[Ref. 26], el ACI 341.2R-97[Ref. 35] y el ATC-32[Ref. 36] toman las consideraciones del

AASHTO STANDARD; finalmente, el Reglamento Ssmico para puentes de Canad[Ref. 37], es un reglamento adaptado del AASHTO-LRFD.

CAPTULO II


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CAPTULO II

REQUERIMIENTOS GENERALES

En este captulo se examinan los coeficientes de aceleracin, la clasificacin por importancia, los efectos de sitio, los coeficientes de

respuesta elstica(Espectros Elsticos de Respuesta) y los factores de modificacin de respuesta, que se describen en las normas peruana y

extranjeras, adems de tomar consideraciones importantes de otros reglamentos extranjeros a ser considerados [Ref. 7,8,9 y 37].

2.1. Coeficientes de Aceleracin

El coeficiente de aceleracin se determina realizando un anlisis de peligro ssmico, aplicando la metodologa desarrollada por Cornell [Ref. 17] en trminos

probabilsticos. Esta metodologa integra informacin sismotectnica, parmetros sismolgicos y leyes de atenuacin regionales para los diferentes

mecanismos de ruptura [Ref. 18]. El resultado es una curva de peligro ssmico, donde se relaciona la aceleracin y su probabilidad anual de excedencia

[Ref. 19], como lo muestra la figura N 2.1.

Figu ra N 2.1. Curv as de p eligro ssm ico y Prob abilid ad anu al vs. Vid a til


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17

Las normas evaluadas exigen que se realicen estudios especiales del coeficiente de aceleracin, cuando:

En el lugar donde se localizar el puente existe una falla activa cercana, o cuando las condiciones geolgicas y geotcnicas no sean las ms favorables. La zona

es de a lta sismicidad, con duracin.

La importancia del puente requiere exposicin o vida til mayor.

sismos de larga

un periodo de

La normas consultadas consideran un tiempo de exposicin de la estructura de

50 aos, para una probabilidad de excedencia de 10%, que equivale a un periodo de

retorno de 475 aos, esto para puentes no principales; para puentes y viaductos de

carreteras principales se considera un tiempo de exposicin de la estructura de 100

aos, para una probabilidad de excedencia de 10%, que equivale a un periodo de

retorno de 950 aos. La excepcin es el cdigo CALTRANS que considera paraun anlisis determinstico, el sismo mximo creble; y para un anlisis probabilstica,

evala para 1000 a 2000 aos de periodo de retorno.

2.1.1. Norma Sismorresistente E.030

La norma sismorresistente E.030, estipula 3 zonas ssmicas en el Per, tal como

se puede observar en la Tabla N 2.1 y la Figura N 2.2.

Tabla N 2.1. Zonas Ssm icas (Norm a E.030)ZONA COEFICIENTE DE ACELERACIN(A=Z)

3 0.4

2 0.3

1 0.15


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Figu ra N 2.2. Mapa d e Zon ificac in ssm ica

Alternativamente se puede utilizar los coeficientes de aceleracin del mapa de distribucin de isoaceleraciones para un 10% de excedencia en 50

aos, realizado por Alva y Castillo [Ref. 18], ver figura N 2.3. Estos autores utilizaron dos leyes de atenuacin de aceleraciones: la primera es la

propuesta por Casaverde y Vargas [Ref. 22] y ha sido empleada para las fuentes asociadas al mecanismo de subduccin; la segunda ley de

atenuacin de aceleraciones utilizada es la propuesta por McGuire[Ref. 23], para la Costa Oeste de los Estados Unidos y ha sido empleada para las

fuentes asociadas a sismos continentales o corticales.


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Figura N 2.3. Mapa de distr ib ucin de Isoaceleraciones prop uesto po r Alva-

Casti l lo(1993)

2.1.2. AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD

Contempla una distribucin de isoaceleraciones en porcentaje de aceleracin de

la gravedad, teniendo valores desde 0.8g hasta 0.05g (ver Figura N 2.4), esto

indica una gran diversidad de coeficientes de aceleracin.

19


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Las zonas de comportamiento ssmico segn la clasifican

en cuatro (Tabla N 2.2), para poder mtodo de anlisis,

la longitud de apoyo del resistencia de las conexiones.

AASHTO, se

determinar el

puente y la

Tabla N 2.2.Zonas ssm icas(A ASHTO STANDA RD y A ASHTO LRDF)

Estos valores obviamente han sido evaluados para las condiciones

locales de los EEUU, y no pueden ser aplicados en el Per.

Figura N 2.4. Mapa de dist r ibuci n de Coeficien tes de Aceleracin horizon tal en %

de g, seg n AA SHTO y AASHTO LRFD (1994)

20

ZONA COEFICIENTE DE ACELERACIN(A=Z)

1 A0.09

2 0.09


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2.1.3. Norma Japonesa

Las especificaciones japonesas tambin tienen sus propios coeficientes de

aceleracin, los cuales no son aplicables en el Per. Esta norma considera

un factor de modificacin de zona, tomando valores de CZ=1.00, 0.85 y 0.70

y limitndolos con constantes de aceleracin de respuesta (ver figura N 2.5).

Figu ra N 2.5. Mapa de pelig ro ssm ico (Mxim a aceleraci n del su elo 5% d e pro bab ilid ad

de exced enci a en 100 aos - 2001).

2.1.4. CALTRANS

La CALTRANS es un reglamento para el estado de California de EEUU y tiene

sus propios coeficientes de aceleracin, ajenos a los que nosotros contamos en el

Per. Los valores de CALTRANS se encuentran en un rango de 0.7g a 0.1g, y

se basan en un mtodo determinstico para terremotos mximos crebles,

evaluando magnitudes Ms de sismo de 6.5, 7.25 y 8, con una variabilidad de

0.25.

21


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22

5. Propuesta de Reglamento del MTC

La Propuesta de Reglamento de Puentes de la Direccin General de Caminos

y Ferrocarriles del Ministerio de Transportes y Comunicaciones [Ref. 6],

indica que se debe utilizar el mapa de distribucin de isoaceleraciones para un

10% de excedencia en 50 aos, realizado por Alva y Castillo. De acuerdo a

esto, define cuatro zonas de comportamiento ssmico iguales a los de la Tabla N

2.2.

6. Comentario

Los cdigos extranjeros ofrecen una gran dispersin de coeficientes

de aceleracin en sus mapas de acuerdo a sus realidades, mientras tanto

en el Per se consideran tres zonas en la norma sismorresistente E.030. Al

parecer, es ms detallado el estudio realizado por Alva y Castillo [Ref. 18],con su mapa de distribucin de isoaceleraciones, para una probabilidad de

10% de excedencia en 50 aos de vida til(Figura N 2.3)

Por otro lado, la Propuesta de Reglamento de Puentes para el Per [Ref. 6],

contempla cuatro zonas de comportamiento ssmico igual a la de la AASHTO y

AASHTO LRFD, pero la Norma E.030 contempla tres, es por ello que se tiene

que compatibilizar de acuerdo a la sismicidad regional. Esto se realizar al final

de este trabajo, proponiendo un Reglamento de Diseo Ssmico de

Puentes para el Per.

Hay que hacer notar que se debe realizar estudios de peligro ssmico local

cuando las condiciones geolgicas y geotcnicas sean desfavorables y utilizar

leyes de atenuacin adecuadas de acuerdo a la sismicidad regional. Esto lo

indican todas las normas consultadas.

2. Clasificacin por importancia


29/150

23

Las rutas de transporte a hospitales, departamentos de bomberos, centros de comunicacin, plantas de agua, instalaciones elctricas, centros de

comunicacin, instalaciones de energa, instalaciones militares, aeropuertos importantes, etc., deben tener una comunicacin continua, de aqu nace la

definicin de clasificacin por importancia de un puente, para la cual el puente debe estar en condiciones de servicio despus de ocurrido un evento ssmico.

Tambin se clasifican los puentes con el fin de establecer los procedimientos mnimos de anlisis, as como para determinar los coeficientes

de modificacin de respuesta

1. AASHTO STANDARD

Segn la norma AASHTO-96, se definen 2 grupos de importancia segn la tabla N 2.3.

Tabla N 2.3. Clasi f icacin por imp ortancia segn AASHTO STANDARD

2.2.2. AASHTO LRFD

La norma AASHTO LRFD-98 considera tres categoras de importancia, tal como se muestra en la tabla N 2.4.

TIPO DE PUENTE IMPORTANCIA

Puentes esenciales: puentes rurales y

urbanos de carreteras troncales, vas

urbanas y accesos a obras de importancia,

como hidrulicas, etc.

IC-I

Otros puentes IC-II

Tabla N 2.4. Clasi f icacin por imp ortancia segn AASHTO LRFD


30/150

24

2.2.3. Reglamento Japons

Considera dos tipos de puentes de acuerdo a la importancia: ordinarios (Clase A) e importantes (Clase B), ver Tabla N 2.5. El Manual

de Diseo Ssmico para puentes de Japn considera criterios basados en desempeo ssmico.

Tabla N 2.5. Clasificac in de imp ort anci a segn Reg lamen to J apo ns

2.2.4. CALTRANS

Todos los puentes sern clasificados como Importantes u Ordinarios, de acuerdo a la clasificacin de la tabla N 2.6.

Esta tabla se basa en la seguridad, nivel de servicio y reparabilidad del puente.

Categoras de Importancia Descripcin

Puentes crticos Deben permanecer abiertos para todo tipo de trfico despus de un sismo de diseo (475aos de periodo de retorno), y abierto para el paso de vehculos de emergencia despusde un sismo mximo probable (2500 aos de periodo de retorno).

Puentes esenciales Deben permanecer abiertos para el paso de vehculos de emergencia despus de unsismo de diseo (475 aos de periodo de retorno).

Otros puentes Pueden ser cerrados para reparacin despus de un sismo mximo probable (2500 aos deperiodo de retorno).

Clase de Puente Tipos de puentes incluidos

Clase A Otros puentes que no clasifican como Clase B.

Clase B -Puentes de autopistas urbanas y de carreteras nacionales.-Doble paso o paso doble, viaductos que son importantes.

Tabla N 2.6. Clasific acin po r im por tancia segn CALTRANS


31/150

2.2.5. Propuesta de Reglamento del MTC

Los puentes se clasifican en tres categoras de importancia, segn la Tabla N 2.7.Tabla N 2.7. Clasif icacin po r imp ortanc ia segn Prop uesta del Reglam ento d el MTC-Per


Puentes importantes - Requiere proveer seguridad de vida post-sismo y facilidades de acceso de emergencia.- Debe permitir una rpida restauracin post-sismo para evitar mayores impactos econmicos.- Debe encontrarse dentro de un plan de emergencia local.

Puentes ordinarios

Notienenlas

caracterstic

a

sdepuente

s

importantes

Standard Si no tiene las caractersticas del No Standard.

No Standard -Irregularidad geomtrica (niveles de superestructuras mltiples,anchos variables con bifurcacin de superestructuras,significante curvatura en el plano y ngulo de esviaje alto en apoyo).-Inusual configuracin estructural (desbalance de masas ycambios de rigidez, diferentes tipos de superestructura).-Condiciones geolgicas inusuales (suelos blandos, potencial delicuacin y proximidad a una falla ssmica).


Puentes crticos Deben permanecer operativos luego de la ocurrencia de un gran sismo que supereal sismo de diseo, y permitir en forma inmediata el paso de vehculos de emergencia y deseguridad o defensa.

Puentes esenciales Deben quedar en condiciones operativas despus de la ocurrencia del sismo dediseo, a fin de permitir el paso de vehculos de emergencia y de seguridad o defensa.

Otros puentes Pueden ser cerrados para reparacin.


32/150

26

2.2.6. Comentario

De todos los reglamentos, al parecer el ms completo y detallado en este aspecto es el reglamento de la AASHTO-LRFD. En el Captulo V de este trabajo se

propone una clasificacin por importancia, basado en los cdigos estudiados.

El AASHTO STANDARD, el AASHTO LRFD, considera niveles de desempeo ssmico para sismos de diseo y para un sismo mximo probable. Mientras tanto, el

Manual de Diseo Ssmico para Puentes de Japn, y el CALTRANS, consideran una evaluacin funcional para sismos con mayor probabilidad de ocurrenciay una evaluacin de seguridad para sismos destructivos menos probables.

Todos los cdigos estudiados consideran de alguna forma dos estados lmites: para sismos menores, un estado lmite de funcionalidad y para sismos fuertes, un

estado lmite de seguridad [Ref. 15, 40 y 41].

2.3. Efectos de sitio o coeficiente de sitio

La aceleracin esperada en la base rocosa se modifica al pasar por los estratos de suelo, por lo que las condiciones locales del suelo tienen clara relacin con los

daos ocasionados por sismos. Por ello, el suelo que suprayace bajo el sitio del puente debe ser investigado, para evaluar su potencial de amplificacin de las ondas

ssmicas desde la base rocosa hasta la superficie. En la figura N 2.6 se muestra un depsito de suelo con diversas capas, alturas de cada capa, densidades naturales,

velocidades de onda de corte, mdulos cortantes y relaciones de amortiguamiento, que hay que ingresar a un programa de cmputo para evaluar el efecto de

amplificacin de sitio [Ref. 19, 24, 45 y 46].


33/150

Figura N 2.6. Profund idades y velo cidades de c orte hasta el sem i- espacio.

Para ello, se puede utilizar los programas Shake [Ref. 45] de la Universidad de

Berkeley o el programa EERA de la Universidad del Sur de California [Ref. 46]. Estos

programas calculan la deformacin del suelo y luego la respuesta en la superficie

mediante iteraciones; ambos programas son del tipo unidimensional. Los resultados que

se obtienen son la amplificacin con respecto a la roca y el periodo del suelo.


La norma sismorresistente E.030, considera 4 tipos de suelo, mostrados en la

tabla N 2.8.

Tabla N 2.8. Coeficiente de sit i o o d e suelo d e la norm a E.030

27

* Valores a ser determinados por el especialista.

Tipo de perfil de

suelo

Descripcin Tp

(seg.)

Coeficiente de

Sitio(S)

S1 - Roca o suelos muy rgidos

con velocidades de onda de corte altas.

0.4 1.0

S2 - Suelos intermedios, con caractersticas intermedias

entre las de S1 y S3.

0.6 1.2

S3 - Suelos flexibles o con estratos de gran espesor. 0.9 1.4

S4 - Suelos excepcionalmente flexibles y sitios donde las

condiciones geolgicas y / o topogrficas sean

particularmente desfavorables.

* *


34/150

28

2.3.2. Cdigos AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD

Los cdigos AASHTO-96 y AASHTO LRFD consideran cuatro tipos de suelo tal

como lo muestra la tabla N 2.9.

Tabla N 2.9. Coeficiente de si t io de lo s cdigo s AASHTO STANDARD y AA SHTO LRFD


El Manual de Diseo Ssmico para Puentes de Japn clasifica los suelos en tres

grupos con sus respectivas descripciones y periodos, tal como se muestra en la

Tabla N 2.10.

Tabla N 2.10. Clasi f icacin por co ndicin de su elo de la norm a Japonesa

Tipo de perfil de

suelo

Descripcin Coeficiente de

Sitio(S)

I -Roca de cualquier caracterstica (velocidad de onda de corte 760 m/s).

-Condiciones de suelo rgido donde la profundidad del suelo es menor a

60 m. y los tipos de suelo sobre la roca son depsitos estables de

arenas, gravas o arcillas rgidas.

1.0

II - Es un perfil compuesto de arcilla rgida o estratos profundos de suelos

no cohesivos donde la altura del suelo excede los 60 m. y los suelos

sobre la roca son depsitos estables de arenas, gravas o

arcillas rgidas.

1.2

III

- Es un perfil con arcillas blandas o medianamente rgidas y arenas,caracterizado por 9.00 m. o ms de arcillas blandas o medianamente

rgidas con o sin capas intermedias de arena o de

otros suelos cohesivos

1.5

IV - Es un perfil con arcillas blandas o sedimentos grandes con ms

de 12 m de grosor de estrato.

2.0

Grupo de

suelo

Descripcin Periodo

(seg.)

Grupo I Roca o deposito de suelo poco profundo TG


35/150

29

2.3.4. Cdigo CALTRANS

El CALTRANS considera 5 tipos de suelo, mostrados en la Tabla N 2.11.

Adems, indica que se debe realizar una evaluacin especfica de sitio

cuando se trata de:

- Suelos vulnerables a una falla potencial o colapso bajo carga ssmica,

licuacin de suelos, o arcillas altamente sensibles.

- Turbas y arcillas orgnicas de ms de 3 m de espesor.

- Arcillas de muy alta plasticidad con espesores mayores a 8 m.

- Capas de arcilla medianamente blandas con espesores mayores a 36

m.

Tabla N 2.11. Tipos d e Suelos d el Cdigo CALTRANS

2.3.5. Propuesta de Reglamento del MTC

La Propuesta de Reglamento de Puentes de la Direccin General de Caminos y

Ferrocarriles del MTC [Ref. 6], presenta los mismos coeficientes de sitio de la

AASHTO LRFD de la Tabla N 2.9.

Tipo de perfil de suelo Descripcin del perfil de suelo

A Roca dura, con velocidades de onda Vs>1500m/sB Roca, con velocidades de onda de

corte 760m/s


36/150

2.3.6. Comentario

Los efectos de sitio son bastante detallados para todos los reglamentos,

con la diferencia que la norma sismorresistente peruana E.030, contiene

periodos de vibracin del suelo, valor que se utiliza para evaluar el

espectro de respuesta. En el reglamento AASHTO no se utiliza el periodo

de vibracin del suelo. Los coeficientes de sitio en los diferentes cdigos son

muy similares, aunque presentan valores mayores que la Norma E.030 para

suelos de condiciones difciles. El reglamento Japons considera un periodo

de suelo bajo cuando se trata de roca.

Finalmente, vale la pena tomar en cuenta las recomendaciones para una

evaluacin especfica de sitio dadas por la CALTRANS.2.4. Coeficiente de Respuesta Ssmica Elstica(Espectro Elstico)

Viene dado en las Bases para el Diseo de Estructuras ante acciones Ssmicas [Ref.20]. El espectro de respuesta normalizado puede ser interpretado como una

aceleracin espectral normalizada por la aceleracin mxima del suelo para un fin de

diseo.

Este espectro puede ser de la forma:kR=1

Interpolacin Lineal kR=

kRo

para

para

para

T=0

0


37/150

de la estructura. Para una estructura con una relacin de

amortiguamiento de 0.05 sobre un suelo de calidad promedio, kRo puede ser

tomado como 2 a 3, para el caso del Per se considera un promedio de 2.5.

T es el periodo natural de la estructura.

Tc y Tc son los periodos extremos relacionados por las condiciones de

suelo, tal como lo ilustra la Figura N 2.7.

es un exponente que puede variar entre 1/3 y 1. En caso de =1, como es

el caso de la Norma E.030, la respuesta de la velocidad llega a ser

constante para T>Tc. Por consiguiente, el valor Tc est estrechamente

relacionado a la respuesta de la velocidad, tal como lo muestra la Figura N

2.8.

Figu ra N 2.7. Espectr o de Resp uest a de Diseo no rma lizado .

Tc, Tc y son dependientes de la Tectnica de la regin y las condiciones

geolgicas. Segn la referencia 20, Tc puede ser tomado como 1/5 a 1/2 de T c. Por

ejemplo, para movimientos horizontales, Tc puede ser tomado como:

31


38/150

- 0.3 a 0.5 para condiciones de suelo duro.

- 0.5 a 0.8 para condiciones de suelo intermedio.

- 0.8 a 1.2 para condiciones de suelo suave o suelto.

Se puede notar que estos valores estn dentro del rango de la norma

E.030 [Ref. 5].

ESPECTRO DE VELOCIDADES ESPECTRALES120.00

100.00

80.00

60.00

40.00

20.00

0.000.00 0.50 1.00 1.50

Periodo(segundos)

2.00 2.50 3.00

V(cm/s

)

Figura N 2.8. Espectros d e Respuesta de velo cidad de 6 Registros Peruano s, los

registros fueron escalado s a 0.4g.

La Figura N 2.7 indica que kR es la unidad para T=0 y luego hay un incremento lineal

hasta kRo para T= Tc. Sin embargo, se recomienda [Ref. 20] usar kR= kRo para

0


39/150


Las indicaciones de la NTE E.030 sobre la fuerza basal elstica, se adaptarn

a puentes; para ello, se emplea la ecuacin (2.5).

V=ZUCSP (2.5)

Donde:

Z= factor de zona. Ver Tabla N 2.1. U= factor deuso = 1.

S= factor de suelo o sitio. Ver Tabla N 2.8.

C= coeficiente ssmico, dado por la ecuacin (2.6).

Tp= periodo que define la plataforma del espectro para cada tipo de suelo.

Ver Tabla N 2.8.

T= periodo fundamental de la estructura.

P= peso de la superestructura y subestructura contribuyente, debido a peso

propio, sin considerar sobrecarga.C=2.5 2.5

T

Tp (2.6)

En donde el espectro elstico de respuesta est definido por la ecuacin (2.7),y mostrado en la figura N 2.9, para la zona 3.

Sa =ZUCSg (2.7)

Donde:

Sa= pseudoaceleracin espectral. g=

aceleracin de la gravedad.Espectro de la norma E-030

1.60

0.60

0.40

0.20

0.00

0.80

1.00

1.20

1.40

0 0.5 1 1.5

Periodo(s)

2 2.5 3

Sa(g

)

Z=0.4,S1

Z=0.4,S2

Z=0.4,S3

Figu ra N 2.9.Espectro s Elstic os d e Acel eracin , para Z=0.4 y S1,S2 y S3.

33


40/150

2.4.2. Cdigo AASHTO STANDARD y AASHTO LRFD

El coeficiente de respuesta ssmica elstica Csm, para el m-simo modo de

vibracin debe ser evaluado por la ecuacin (2.8):

C =1.2 A S2.5 A

T2 / 3sm (2.8)

Donde:

Csm : mxima aceleracin horizontal expresada como una fraccin de la

gravedad, para el m-simo modo de vibracin (ver Figura N 2.10).

A=Z: coeficiente de aceleracin, expresada en fraccin de la gravedad.

S: coeficiente adimensional o coeficiente de sitio que expresa las

caractersticas del perfil del suelo.

T: periodo de vibracin correspondiente al modo m, en segundos.

Coeficiente de Respuesta Ssmica Elstica Csm de la AASHTOSTANDARD y AASHTO LRFD

1.20

0.60

0.40

0.20

0.00

0.80

1.00

0 0.5 1 1.5

Periodo(s)

2 2.5 3

Csm

(

g)

Z=0.40,S1

Z=0.40,S2

Z=0.40,S3

Z=0.40,S4

Fig. N 2.10. Espectr os Elstic os d e Acel eracin, par a Z=0.4 y S1 @ S4

Para perfiles de suelo tipo III, IV, en zonas donde A0.3,el espectro est

definido por la ecuacin (2.9) (ver Figura N 2.10).

34


41/150

=1.2 AS2.0 A

T2 / 3Csm (2.9)

Para perfiles de suelo tipo III, IV, para otros modos de vibracin diferentes al

fundamental y cuyo periodo de vibracin es menor de

0.3 segundos, el valor de Csm se puede obtener de la ecuacin (2.10).

Csm =A(0.8+4T) , T4.0 segundos, el valor de Csm est dado por la ecuacin (2.11).

T4 / 3C =

3.A.S, T> 4.00 segundoss (2.11)


El reglamento Japons considera dos niveles de Diseo de movimiento

ssmico [Ref. 4, 11, 15, 16, 25 y 27]:

-Nivel I: describe un movimiento ssmico que ocurrir durante el periodo de

servicio del puente. Esto es evaluado con las ecuaciones (2.12) y (2.13),

los valores de So se muestran en la Tabla N 2.12 y la respuesta se observa

en la figura N 2.12.S=CZCD So (2.12)

(2.13)

35

+0.540+1

1.5C =D

Donde:

CZ= factor zona(=1.00,0.85,0.75)

CD= factor de modificacin por relacin de amortiguamiento

Tabla N 2.12. Respuesta Esp ectral estructu ral (Evaluacin func ional)

Condicin de Aceleracin Espectral So(cm/s2) y periodo natural(s) NIVEL I


42/150

0

0.05

0.1

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15 Nivel I-Grupo 1

Nivel I-Grupo 2 Nivel

I-Grupo 3

0 0.5 1 1.5 2

Periodo Natural(s)

2.5 3Respues

tade

Ace

lerac

in

Espec

tra

l(g

)

Figura N 2.12. Respuest a de Aceleracin Es pectral del Manual J apons, para el ni vel I (Evaluacin Func ional).

-Nivel II: describe un movimiento ssmico destructivo menos probable que puede ocurrir en el periodo de servicio del puente.

Este Nivel contiene dos tipos de movimientos: el Tipo I, es caracterizado por amplitudes grandes y gran nmero de ciclos y el Tipo II,

tiene duraciones cortas y gran fuerza destructiva. Estos son evaluados con las ecuaciones (2.13), (2.14) y (2.15); los valores de

SIO y SIIO se muestran en la Tabla N 2.13 y las respuestas se observan en las figuras N 2.13 y 2.14.

36

SI =CZCD SIO

SII =CZCD SIIO

(2.14)

(2.15)

suelo

Grupo I T


43/150

Donde SIO y SIIO son el espectro de respuesta de aceleraciones del movimiento

ssmico Tipo I y Tipo II, respectivamente.

Tabla N 2.13. Respuesta Espectral estr uctural , para el nivel II (Evaluacin de segurid ad).

Movimiento de suelo Tipo I

Tabla N 2.14. Respuesta Espectral estr uctural , para el nivel II (Evaluacin de s eguridad ).

Movimiento de suelo Tipo I I

0

0.2

0.4

Nivel II-Grupo 2

Nivel II-Grupo 3

1.2

1

0.8

0.6

Nivel II-Grupo 1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Periodo Natural(s)

Figu ra N 2.13. Respues ta de Acel eracin Es pect ral del Man ual J apo ns, para el n ivel II-

Tipo I (Evaluacin de Segurid ad)

37

Respues

tade

Ace

lerac

in

Espec

tra

l(g

)

Condicin de

suelo

Aceleracin Espectral So(cm/s2) y periodo natural(s)

NIVEL II

Grupo I0T1.

4

SIO=700

1.4


44/150

1

0.5

0

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2

Periodo Natural(s)

2.5 3

Respu

es

tade

Ace

lerac

in

Espec

tra

l(g

)

Nivel II-Grupo 1

Nivel II-Grupo 2

Nivel II-Grupo 3

Figu ra N 2.14. Respues ta de Acel eracin Es pect ral del Man ual J apo ns, para el n ivel II-

Tipo II (Evaluacin de Seguridad)

2.4.4. CALTRANS

Trabaja con curvas ARS (Accelerations Response Spectrum, expresados en

g), las cuales son proporcionadas en figuras, dependiendo de una

aceleracin mxima(0.1g a 0.7g), condiciones de suelo(perfil de suelo

tipo B, C, D y E) y magnitudes de sismos(6.50.25, 7.250.25 y 80.25), tal

como se muestra en la Figura N 2.11, para un tipo de suelo y magnitud

especifica.

Figura N 2.11. Curvas de resp uesta espectral CALTRANS, para un p erfi l de suelo tipo B

(roca) ymagnitud 6.50.25.

38


45/150

39


La Propuesta de Reglamento de Puentes de la Direccin General de Caminos y

Ferrocarriles del MTC [Ref. 6], presenta como espectro de respuesta elstico

el de la AASHTO LRFD, descrito en el acpite 2.4.2. de este estudio.

6. Comparacin de espectros

A continuacin se realiza una comparacin de respuestas de aceleracin

lineal entre los cdigos Japons, AASHTO STANDARD - LRFD,

CALTRANS y la NTE E.030, stas fueron realizadas de acuerdo a las

siguientes suposiciones:

o Comparar respuestas de aceleracin lineal con una relacin de

amortiguamiento del 5%.o Considerar un suelo tipo duro: Para el reglamento Japons Grupo de

suelo I; para AASHTO STANDARD y LRFD, tipo de perfil de suelo I;

para CALTRANS, tipo de suelo B; y para la NTE E.030, tipo de perfil de

suelo S1.

o Se considera una aceleracin de suelo a=0.4g, para AASHTO

STANDARD - LRFD y NTE E.030, para el

reglamento Japons se considera un Nivel II-Tipo I (Ec. 2.14) y para

CALTRANS se considera a=0.4g para una

magnitud 6.50.25. La figura 2.15 muestra los 4 espectros de

Pseudoaceleracin.


46/150

Comparacin de Espectros Elsticos(5 % deamortiguamiento)

1.2

0.6

0.4

0.2

0

0.8

1

0 0.5 1 1.5Periodo(s)

2 2.5 3

Sa(g

)

Japones Nivel II-Tipo I AASHTO

STANDARD y LRFD CALTRANS

NTE E-030

Figura N 2.15. Comp aracin de Espectro s de Pseu doaceleracin(5% de

amort iguamiento) .

Como se muestra en la Figura N 2.15, los espectros de

pseudoaceleracin de la Norma NTE E.030, AASHTO STANDARD y

LRFD son muy similares, para periodos bajos se tienen valores de

pseudoaceleracin iguales, mientras que para valores de periodos altos, el

AASHTO presenta valores de

40

pseudoaceleracin

CALTRANS, ste

mencionados, con

mayores. En cuanto al espectro de la tiene

la forma de los espectros antes la

salvedad que para periodos bajos lapseudoaceleracin es menor. Finalmente, el Manual Japons no es adecuado

compararlo ya que no tiene semejanza con los antes mencionados.

A continuacin se compararn los espectros de aceleracin de 6 registros

peruanos con las normas NTE E.030, la AASHTO STANDARD y LRFD,

para Z=0.4 y S=1 y Tp=0.4 (Ver Figura N 2.16)


47/150

COEFICIENTE DE RESP UESTA SISMICA ELASTICA-ESPECTRO ELASTICO DEACELERACIONES

1.60

AASHTO STANDARD y LRFD0.60

0.40

0.20

0.00

0.80

1.00

1.20

1.40

0.00 0.50 1.00 1.5 0

Periodo(segundos)

2.00 2.50 3.00

Sa

(g

)

17-Oct-66-N82O

17-Oct-66-N08E

31-May-70-N82O

31-May-70-N08E

03-Oct-74-N82O03-Oct-74-N08ENTE E.030

Figura N 2.16. Comp aracin de 6 registros p eruanos c on la NTE E.030 AASHTO STANDARD y LRFD (5% de amo rtiguam iento).

Se puede observar en la figura N 2.16, que es ms adecuado utilizar el espectro de la norma E.030 que el de la AASHTO. Es necesario hacer

nfasis en esto, debido a que la Propuesta de norma para Puentes [Ref. 6], recomienda utilizar el espectro de la AASHTO.

A continuacin se compara el espectro de desplazamientos para 6 registros peruanos con las normas NTE E.030, la AASHTO

STANDARD y LRFD, para Z=0.4, S=1 y Tp=0.4.

normalizado de desplazamientos se obtiene con (2.16) y se

muestra en la Figura N 2.17.

El espectro la

ecuacin

D =Sd=Sa

2

41

(2.16)


48/150

ESPECTRO DE DESPLAZAMIENTOS ESPECTRALES

20.00

8.00

6.00

4.00

2.00

0.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00 17-Oct-66-N82O17-Oct-66-N08E31-May-70-N82O 31-May-70-N08E03-Oct-74-N82O03-Oct-74-N08E E-030(2003)AASHTO STANDARD-LRFD

0.00 0.20 0.40 0.60

Periodo(segundos)

0.80 1.00 1.20

D(cm)

Figura N 2.17. Comp aracin de espectros de desp lazamiento de 6 registros p eruanos co nla NTE E.030, AASHTO STANDARD LRFD (5% de amortig uamien to).

42

Este resultado corrobora la idea de no utilizar el espectro de la AASHTO STANDARD-

LRFD, ya que para periodos de estructuras mayores de 0.8 seg., se tendran

desplazamientos mayores que la NTE E.030.

Un estudio de comparacin de normas ssmicas para puentes realizado por Kawashima

[Ref. 15], es mostrado en la figura N 2.18, donde compara los coeficientes

ssmicos de los diversos cdigos. Estos resultados fueron calculados para una

aceleracin de 0.8g, y para un suelo duro.


49/150

Figura N 2.18. Comp aracin de Coefic ientes Ssmic o de las div ersas norm as para

puentes (5% de amortigu amiento ) [Ref. 15].

2.4.7. Comentario

La norma actual E.030, muestra una representacin bien aproximada de

los 6 espectros obtenidos, mientras que utilizar el espectro de la AASHTO, es ms

conservador para periodos altos, no reflejando el comportamiento ssmico local.

Mientras tanto, el reglamento Japons no es adecuado utilizarlo en el Per, por

sus bajos valores de Pseudoaceleracin para un Nivel II -Tipo I, mientras

que tiene aceleraciones mayores que la norma E.030 para un Nivel II -Tipo II,

este nivel no va acorde con la sismicidad local. En cuanto al CALTRANS podra

utilizarse, pero para valores de periodo bajos se obtendra valores de aceleracininferiores a los de la NTE E.030. En el capitulo V de este estudio, se presenta una

propuesta final basada en la NTE E.030.

43


50/150

2.5. Factor de Modificacin de Respuesta(R)

Si un sistema estructural se somete a la accin ssmica, en un tiempo determinado la fuerza inercial sobre la masa ser mxima para

un amortiguamiento especfico. Si este sistema estructural responde inelsticamente, la carga ser inferior que la

elstica para la misma accin ssmica; esto es en cierta manera una reduccin en la fuerza ssmica cuando una estructura incursiona en

rango no lineal.

Muchos de estos factores son an materia de estudio y valores genricos han sido adoptados por varios cdigos, por ejemplo:

- Sistemas con excelente ductilidad tendrn un R entre 3 y 5.

- Sistemas con mediana ductilidad tendrn un R entre 2 y 3.

- Sistemas con pobre ductilidad tendrn un R entre 2 y 1.

En general acorde con los resultados de anlisis dinmico no lineal de estructuras sujetas a grandes sismos, se puede utilizar las

ecuaciones (2.17) y (2.18), segn el factor dominante.

Si domina el desplazamiento constante R ==mx.y

Si domina la energa constante R = 21

(2.17)

(2.18)

44

Donde:

R = factor de reduccin de fuerza ssmica.

= factor de ductilidad de desplazamiento.

mx . = desplazamiento mximo lateral.

y = desplazamiento de fluencia.2.5.1. Cdigo AASHTO STANDARD

Los factores de reduccin para el reglamento

STANDARD son los mostrados en la Tabla N 2.15.

AASHTO

Tabla N 2.15. Factor d e Modifi cacin de Respuesta (R) - AASHTO


51/150

45

STANDARD

(1)El factor R se debe usar para ambos ejes ortogonales de la subestructura.(2)Un pilar tipo placa puede disearse como columna en la direccin ms dbil siempre que cumpla t odos los requisitosssmicos de columna, en tal caso puede utilizarse el coeficiente R de columnas solas.(3) Se recomienda que las conexiones se diseen para las fuerzas mximas que puedan desarrollarse porplastificacin de la columna o las columnas del prtico. Estas fuerzas son a menudo significativamente menores queaquellas obtenidas usando el factor R=1.

2.5.2. Cdigo AASHTO LRFD

Los factores de reduccin para el reglamento AASHTO LRFD son los mostrados en

la Tabla N 2.16.

Tabla N 2.16.Factor de Modificaci n de Respuesta(R) - AASHTO LRFD

(1)El factor R se debe usar para ambos ejes ortogonales de la subestructura.(2)Un pilar tipo placa puede disearse como columna en la direccin ms dbil siempre que cumpla todos los requisitosssmicos de columna, en tal caso puede utilizarse el coeficiente R de columnas solas.(3) Se recomienda que las conexiones se diseen para las fuerzas mximas que puedan desarrollarse porplastificacin de la columna o las columnas del prtico. Estas fuerzas son a menudo significativamente menores queaquellas obtenidas usando el factor R=1.

SUB ESTRUCTURA(1) R CONEXIONES(3) RPilar tipo muro(2) 2 De la subestructura al estribo. 0.8Pilote de concreto reforzado 3 Juntas de expansin de una luz de 0.8

a. nicamente pilotes verticales la subestructura.b. Uno o ms pilotes inclinados 2

Columnas individuales 3 Columnas, pilares o viga cabezal sobre pilotes a la

superestructura

1.0

Pilotes de acero o acero compuesto con 5 Columnas o pilares ala

1.0

concreto: cimentacin.a. nicamente pilotes verticalesb. Uno o ms pilotes inclinados 3

Columnas mltiples 5

SUB ESTRUCTURA(1) R CONEXIONES(3) RCrtico Esencial Otros

Pilar tipo muro(2) 1.5 1.5 2 De la subestructura al estribo. 0.8

Pilote de concreto reforzado

a . nicamente pi lo tes

verticales

b. Uno o ms pi lot es

inclinados

1.5

1.5

2

1.5

3

2

Juntas de expansin de una luz dela subestructura.

0.8

Columnas individuales 1.5 2 3 Columnas, pilares o viga cabezal

sobre pilotes a la superestructura.

1.0

Pilotes de acero o acero compuesto

con concreto:

a . nicamente pi lo tes

verticales

b . Uno o ms p ilotes

inclinados

1.5

1.5

3.5

2

5

3Columnas o pilares a la

cimentacin.

1.0

Columnas mltiples 1.5 3.5 5



52/150

En el reglamento Japons, los factores de reduccin estn en funcin de valores de ductilidad de desplazamiento admisible(a),

tal como lo expresa la ecuacin (2.20). El factor de modificacin de respuesta, es expresado como:

R = 2a 1 (2.20)

Para columnas de concreto armado, se tiene que a=8, con lo que se obtiene un valor de R=3.87, valor mximo que puede

tomar un factor de reduccin, en el reglamento japons.

Los valores de a para pilares, que es el caso ms usualmente utilizado en el Per, varan entre 4 y 6 dependiendo de la

forma del pilar, obteniendo factores de reduccin de 2.6 a 3.3.

2.5.4. CALTRANS

El CALTRANS tiene factores de modificacin de respuesta (R), asociados a demandas de ductilidad de desplazamiento

(Tabla N 2.17); de acuerdo a ello, se evala con la ecuacin (2.19), el factor de reduccin R.

Tabla N 2.17. Demandas de Ducti l idad de desplazamien to(D)

R = 2D 1

46

(2.19)

SUB ESTRUCTURA DColumnas simples apoyadas sobre cimentacin fija. 4Columnas mltiples apoyadas en zapatas fijas o articuladas. 5

Pilar tipo muro(direccin dbil), base fija o articulada. 5Pilar tipo muro(direccin fuerte), base fija o articulada. 1

Donde:


53/150

47

R = factor de reduccin de fuerza ssmica.

D = factor de ductilidad de desplazamiento.

Si reemplazamos valores en la ecuacin 2.19, para valores de D =4; 5; 1;

se obtendrn valores de R = 2.65; 3.00; 1.00, respectivamente.


La Propuesta de Reglamento de Puentes de la Direccin General de Caminos

y Ferrocarriles del Ministerio de Transporte y Comunicaciones [Ref. 6],

presenta los mismos coeficientes de reduccin de la Tabla N 2.16.

6. Comentario

El reglamento AASHTO LRFD, considera valores de R menores para puentes

clasificados como crticos y esenciales, ello estara indicando que la fuerza

ssmica es mayor, mientras los valores de R para puentes clasificados como

Otros, coinciden con el reglamento AASHTO STANDARD.

El CALTRANS y el reglamento Japons utilizan valores de R algo mayores a los

de la AASHTO STANDARD y LRFD.

La NTE E.030, es una norma concebida para edificios y no se debe utilizar

directamente en puentes. Finalmente, al culminar este estudio, se realiza unapropuesta para el Per.

CAPTULO III


54/150

48

REQUERIMIENTOS DE ANLISIS

En este captulo se trata en primer lugar acerca de los criterios de regularidad de un puente,

parmetro importante junto a la importancia de ste para poder seleccionar los mtodos deanlisis ssmicos mnimos a ser usados. Adems, se describe la metodologa en detalle de

los procedimientos de anlisis ssmicos, tambin se dan algunos criterios de modelacin y

se describe los requerimientos mnimos de anlisis ssmicos, dados por los cdigos estudiados y

otros.

3.1. Criterios de regularidad

Para que una estructura sea regular o irregular segn las referencias 1, 2, 7, 8, 10, 14,

26 y 36, debe cumplir los siguientes criterios:

a. Puentes regulares: son aquellos que tienen menos de 7 tramos y no

presentan cambios en su masa o rigidez que excedan 25% de un

segmento a otro a lo largo de su longitud. Un puente horizontal curvo, puede

ser considerado regular si el ngulo sub-tendido al centro de curvatura, de

un estribo a otro, es menor a 60 y no tiene un cambio abrupto en rigidez o

masa. Esto es mostrado en la Figura N 3.1.

b. Puentes irregulares: aquellos que no clasifican como regulares. Ver

figura N 3.2.

Un puente se desempea satisfactoriamente ante un evento ssmico, siempre y

cuando sea simple, simtrico e ntegro. Simple, por que las fuerzas se transfieren al

suelo en forma directa; simtrico, para no

generar rotaciones torsionales; y finalmente ntegro, por que todas las componentes

del p ente deben permanecer conectadas desp s del e ento ssmico


55/150

del puente deben permanecer conectadas despus del evento ssmico.

Figura N 3.1. Caractersticas para que u n p uente cl asi f ique c omo regular.

Figura N 3.2. Caractersticas para que u n p uente clas i f ique co mo irregular.

49

3.2. Procedimientos de anlisis


56/150

50

Los mtodos de Anlisis Elsticos ms recomendados por las normas estudiadas para

este trabajo son:

1: Mtodo simplificado o de carga uniforme(UL) 2: Mtodo deanlisis espectral Unimodal(SM) 3: Mtodo de anlisis espectral

Multimodal(MM) 4: Mtodo de anlisis Tiempo Historia(TH)

3.2.1. Mtodo simplificado o de carga uniforme(UL)

El mtodo de carga uniforme est basado en el modo fundamental de

vibracin, tanto en direccin transversal como longitudinal. El periodo de este

modo de vibracin debe ser calculado usando un modelo de un solo grado de

libertad masa- resorte. La rigidez de este resorte equivalente debe calcularse

usando el desplazamiento mximo que ocurre cuando una carga lateral uniforme

arbitraria es aplicada a la superestructura del puente. El coeficiente derespuesta ssmica elstica Csm debe ser usado para calcular la carga ssmica

equivalente a partir del cual se encuentran los efectos de fuerza ssmica. El

mtodo es del tipo esttico equivalente que utiliza una carga lateral uniforme

que aproxima el efecto de carga ssmica. El mtodo es adecuado para puentes

regulares que responden principalmente en el modo fundamental de vibracin.

El procedimiento de este mtodo es el siguiente:

PASO 1: Calcular el desplazamiento esttico horizontal Us(x) yUs(y) debido a una carga uniforme Po horizontal, la carga esaplicada a todo lo largo del puente, tiene un idad de fuerza / longitud y

puede tomar un valor arbitrario de 1 (Figura 3.3).

PASO 2: Calcular la rigidez lateral del puente K con la ecuacin (3.1) y el peso

total W con la ecuacin (3 2)


57/150

total W con la ecuacin (3.2).

Usmx

W = w(x)dx

K= PoL (3.1)

(3.2)Donde :

L = longitud total del puente.

Usmx = mximo valor de Us(x) o Us(y)w(x) = peso por unidad de longitud de la carga muerta de la

superestructura y sub-estructura tributaria del puente.

Figura N 3.3. Fuerza Po apl icada en ambas d irecciones.

El peso debe tomar en cuenta los elementos estructurales y otras cargas

relevantes. Se puede incluir cargas vivas, pero los efectos de inercia de las

cargas vivas no se incluyen en el anlisis. Sin embargo, para el caso de

ciudades, puede ocurrir una gran congestin vehicular, causando un

incremento de masa y en consecuencia un incremento de la carga ssmica

esttica.

PASO 3: Calcular el periodo de vibracin del puente usando la ecuacin (3.3),para ambas direcciones. gK

51

WT= 2.. (3.3)

Donde :

g = aceleracin de la gravedad(longitud / tiempo2)

PASO 4: Calcular la carga ssmica esttica equivalente a partir de la ecuacin

(3.4).


58/150

(3.4).

LPe = Csm W (3.4)

Donde:

Csm = coeficiente de respuesta ssmica elstica (sin

dimensiones) para el periodo T.

Pe = carga uniforme ssmica equivalente por unidad de longitud depuente, aplicada para representar el modo primario de vibracin.

PASO 5: Calcular los desplazamientos y fuerzas de miembro escalando los

resultados del primer paso por la relacin Pe/Po.

3.2.2. Mtodo de Anlisis Espectral Unimodal(SM)

Debe ser utilizado en la direccin longitudinal y la transversal del puente de la

siguiente forma:

PASO 1: Se calculan los desplazamientos horizontales estticos Us(x) (longitud)

debido a una fuerza horizontal unitaria uniforme po(fuerza/longitud) que se

aplica a la superestructura, como se indica en la figura N 3.3 (repetida).

Figura N 3.3. Fuerza Po apl icada en ambas direccio nes (repetida).

52

PASO 2: Se calcula los coeficientes , y , con las ecuaciones (3.5), (3.6) y

(3.7), respectivamente para la direccin longitudinal y transversal.


59/150

( ), p p g y

= Us (x)dx

= w(x).Us (x)dx

(3.5)

(3.6)

= w(x).(Us (x)) dx2 (3.7)

Donde:w(x) = es la carga muerta de la superestructura y la subestructura

tributaria(fuerza / unidad de longitud).

= coeficiente con unidad de longitud2

= coeficiente con unidad de fuerza por longitud

=coeficiente con unidad de fuerza por longitud2

PASO 3: Calcular el periodo fundamental del puente en las dos direcciones

principales por medio de la ecuacin (3.8).

p0 .g.

53

T= 2.. (3.8)

Donde:

g : aceleracin de la gravedad(longitud / tiempo2)

PASO 4: Calcular la fuerza ssmica esttica equivalente en ambas direcciones

con la ecuacin (3.9)..U(x)Pe(x) =

.Cs.w(x)

(3.9)

Donde:

Cs : coeficiente de respuesta ssmica que se obtiene luego de reemplazar

el periodo en la ecuacin que lo define.Pe(x) : fuerza ssmica esttica equivalente, que corresponde a las fuerzas

inerciales que el sismo de diseo impone al puente a travs del modo

fundamental.

PASO 5: Aplicar la fuerza esttica equivalente Pe(x) al puente y por medio de

un anlisis estructural, se obtienen las fuerzas para cada uno de los


60/150

54

elementos y los desplazamientos correspondientes.

3.2.3. Mtodo de anlisis espectral multimodal(MM)

Este mtodo debe ser usado para puentes en los cuales ocurre acoplamientoen ms de tres coordenadas, en cada modo de vibracin. La respuesta est

compuesta por la contribucin de un nmero plural de modos que contribuyen

en la respuesta total de la estructura. Se debe usar el espectro de respuesta

elstico. Debe emplearse un programa de computador que realice el

anlisis dinmico espacial, teniendo en cuenta los efectos de acoplamiento

en la respuesta total de la estructura del puente.

a. Modelo Matemtico: el puente debe modelarse como una estructura

tridimensional espacial con elementosinterconectados en nodos, que describan de manera realista la rigidez y la

masa de la estructura. La masa de la estructura se puede suponer

concentrada en los nodos con un mnimo de 3 grados de libertad

traslacionales. La masa debe incluir la de los elementos estructurales y

otras cargas relevantes, como vigas cabezales, estribos, columnas, zapatas,

etc.

Superestructura: como mnimo debe modelarse como una serie de

elementos estructurales de prtico espacial, interconectados en nodoslocalizados en los apoyos de la superestructura, e intermedios a

distancias de un cuarto de la luz. Las discontinuidades formadas por las

juntas y los estribos deben incluirse. Ver Figura N 3.4.

Subestructura: las columnas y los pilares interiores deben modelarse

como elementos de prtico espacial, las columnas


61/150

altas y flexibles deben modelarse con nodos en sus extremos e

interiormente a distancias cada tercio de la longitud de la columna. Las

columnas cortas, cuya longitud sea menor de un tercio de la luz de los

vanos adyacentes, no requieren nodos interiores. El modelo debe

tener en cuenta la excentricidad de las columnas con respecto a la

superestructura. Ver Figura N 3.4.

Figura N 3.4. Modelo estructu ral para la s uperestructu ra y sub estructura en el anlisisespectral m ul t imodal .

b. Modos y periodos de vibracin: deben calcularse para una condicin de

base fija, utilizando las masas y rigideces del sistema de resistencia ssmica

del puente.

c. Nmero mnimo de modos: el anlisis de la respuesta debe incluir, como

mnimo, el efecto de un nmero de modos equivalente a 3 veces el nmero

de luces o 25 modos.

d. Combinacin de fuerza y desplazamiento: los desplazamientos

y fuerzas en los miembros se pueden determinar

combinando los parmetros (desplazamientos, fuerzas, momentos,

torsiones, etc.) producidos en cada modo, por medio

del mtodo de la Combinacin Cuadrtica Completa(CQC).

55

3.2.4. Mtodo de anlisis Tiempo-Historia(TH)


62/150

56

El anlisis ssmico empleando este mtodo debe realizarse con cada uno de

los acelerogramas para las direcciones longitudinal y transversal, con un

programa de computador (por ejemplo el SAP2000). Debe tenerse como

mnimo 5 registros.

Para esta tesis se considera y recomienda los 6 registros con los cuales se

evalu la norma E.030 (Sismos de 1966-1970-1974), de los 20 registros de

aceleracin horizontal que se cuentan desde el ao 1951 hasta el 1974, tal como

se muestran seleccionados en la tabla N 3.1 [Ref. 21]. En esta tabla se

muestra el nmero del sismo, la fecha del sismo, la denominacin de

ste, la componente, el nmero de datos (N datos), la aceleracin pico del suelo

(PGA), la velocidad pico del suelo (PGV) y el desplazamiento pico

del suelo (PGD).

Tabla N 3.1. Sismo s Peruanos desde 1951 @ 1974.

NM. FECHA DENOMINACIN COMPONENTE N datos PGA PGA (g) PGV PGD1 31-ene-51 1639 GCT-N82W HORIZONTAL 1478 -60.44 0.06 -1.65 -0.31

2 31-ene-51 1639 GCT-NO8W HORIZONTAL 1480 45.70 0.05 0.92 0.15

3 17-oct-66 N82W HORIZONTAL 3283 -180.59 0.18 13.23 7.35

4 17-oct-66 NO8E HORIZONTAL 3282 -269.34 0.27 -21.60 -16.60

5 31-may-70 Huaraz HORIZONTAL 2259 -104.82 0.11 4.71 1.55

6 31-may-70 Huaraz HORIZONTAL 2259 -97.75 0.10 6.98 2.647 29-nov-71 N82W HORIZONTAL 2010 53.55 0.05 4.08 1.74

8 29-nov-71 N08E HORIZONTAL 2010 86.54 0.09 -4.22 -1.25

9 5-ene-74 N82W HORIZONTAL 1804 66.76 0.07 4.03 0.59

10 5-ene-74 NO8E HORIZONTAL 1804 -72.28 0.07 -2.15 -0.45

11 5-ene-74 ZARATE L HORIZONTAL 1641 -139.59 0.14 3.23 1.30

12 5-ene-74 ZARATE V HORIZONTAL 1642 -156.18 0.16 4.40 1.08

13 3-oct-74 1421 GCT NO8E HORIZONTAL 4899 178.95 0.18 10.30 -5.34

14 3-oct-74 1421 GCT N82W HORIZONTAL 4899 -192.49 0.20 14.48 6.4115 3-oct-74 1421 GCT N82W HUACO HORIZONTAL 4879 192.35 0.20 -20.48 7.93

16 3-oct-74 1421 GCT N08E HUACO HORIZONTAL 4879 -207.12 0.21 16.94 8.03

17 9-nov-74 IGP HORIZONTAL 2392 46.21 0.05 -3.60 1.80

18 9-nov-74 IGP HORIZONTAL 2391 -69.21 0.07 -4.91 -1.81

19 9-nov-74 LA MOLINA HORIZONTAL 1972 -116.78 0.12 -7.89 2.43

20 9-nov-74 LA MOLINA HORIZONTAL 1971 -93.71 0.10 -5.35 1.28

Adems, en esta tabla no se considera el sismo de Nazca registrado en Lima (1996), ni el sismo de Atico registrado en Moquegua

(23 de Junio del 2001), ni los 6 que captaron los acelergrafos chilenos (23 de Junio del 2001). Todos estos registros se pueden


63/150

utilizar tambin para poder realizar un anlisis Tiempo-Historia.

Segn las normas revisadas, estos registros deben normalizarse de manera que la aceleracin mxima corresponda al valor mximo

esperado en el sitio de acuerdo a una probabilidad de excedencia, por ejemplo del 10% para una vida til de 50 aos, equivalente a 475

aos de periodo de retorno, esto dependiendo de la importancia del puente. Para efecto de este estudio se normaliza a 0.4g. Adems,

estos registros pueden ser modificados por las condiciones de suelo local.

3.3.Requerimientos de anlisis de los cdigos estudiados

3.3.1. Cdigo AASHTO STANDARD

De acuerdo al coeficiente de aceleracin (Z=A) y la clasificacin por importancia (IC) se le asigna una Categora de

Comportamiento Ssmico (CCS), mostrado en la Tabla N 3.2; y posteriormente se determina el procedimiento de anlisis mnimo (Tabla N

3.3). Aunque los puentes de un solo tramo no son estudiados aqu, las normas contemplan que no es necesario hacer un anlisis

ssmico para este tipo de estructuras.

Tabla N 3.2. Catego ra de com po rtam ient o ssm ico (CCS)

Coeficiente de

Aceleracin(Z=A)

Clasificacin por Importancia(IC)I II

A0.09 A A0.09


64/150

58

NA = no requiere un anlisis ssmico.UL = Mtodo simplificado o de carga uniforme. SM =Mtodo de anlisis espectral Unimodal. MM = Mtodo deanlisis espectral Multimodal. TH = Mtodo de anlisisTiempo Historia.

3.3.2. Cdigo AASHTO LRFD

Este cdigo determina los mnimos requerimientos de anlisis y procedimientos,

en funcin de la regularidad de un puente. Ver Tabla N 3.4.

Tabla N 3.4. Requerimiento s m nim os y p rocedim ientos para efectos ssmico s -

AASHTO-LRFD

NA = no requiere un anlisis ssmico.UL = Mtodo simplificado o de carga uniforme. SM =Mtodo de anlisis espectral Unimodal. MM = Mtodo deanlisis espectral Multimodal. TH = Mtodo de anlisisTiempo Historia.

3.3.3. Cdigo Japons

El Cdigo Japons nos brinda los requerimientos mnimos de anlisis,

mostrados en las Tablas N 3.5 y 3.6.

Ssmico(CCS) o ms luces o ms luces

A NA NAB SM/UL SMC SM/UL MMD SM/UL MM

Zona

Ssmica

A=Z

Puentes de

un solo

tramo

Puentes de mltiples tramos

Otros puentes Puentesesenciales

Puentes crticos

Regular Irregular Regular Irregular Regular Irregular1 No requiere

anlisisssmico

NA NA NA NA NA NA2 SM/UL SM SM MM MM MM3 SM/UL MM MM MM MM TH4 SM/UL MM MM MM TH TH

Tabla N 3.5. Movim ient os s sm ico s a ser tom ado s en cu enta en el di seo ssm ico y en el

des empeo ssm ico del pu ent e

Movimiento de suelo a tomar en cuenta en el Diseo Objetivo del desempeo ssmico Mtodo del clculo ssmico


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59

Tabl a N 3.6. Anlis is Mnimo Req uer id o Cd ig o Jap ons

ESA = Anlisis Elstico Esttico(UL y SM) EDA =Anlisis Elstico Dinmico(MM y TH) ISA = AnlisisInelstico Esttico(Pushover) IDA = Anlisis InelsticoDinmico.

3.3.4. CALTRANS

El CALTRANS nos brinda los requerimientos mnimos de anlisis, en funcin de

la importancia del puente, el tipo de configuracin y el nivel de evaluacin. El

tipo de configuracin I incluye puentes con caractersticas de respuesta simple;

stos incluyen puentes con superestructura continua como son los puentes que

describe este trabajo de investigacin, tramos con longitudes adecuadas,menores a 7 tramos, apoyos con apropiada rigidez y respuesta vertical

insignificante. El tipo de configuracin II, incluye puentes con caractersticas de

respuesta ms compleja, que no pueden ser representados fcilmente con un

Anlisis Elstico Esttico

Movimiento de suelo a tomar en cuenta en el Diseo

Ssmico

Objetivo del desempeo ssmico

de puentes

Mtodo del clculo ssmico

Puente

Clase A

Puente

Clase B

Mtodo de

anlisis esttico

Mtodo de anlisis

dinmicoMovimiento de suelo altamente probable de ocurrirdurante el periodo de servicio del puente(EvaluacinFuncional)

No se tiene ningn dao Mtodo delcoeficiente

ssmico

Anlisis deRespuesta Tiempo-

Historia o un Anlisisde Respuesta

EspectralMovimiento de suelo de altaintensidad, menos probable

de ocurrir durante el periodode servicio del puente(Evaluacin deseguridad)

Movimiento

Suelo I

Prevenirdaos

fatales

Limitacin de

daos

Mtodo de di seo porductilidad (Usando un

factor de modificacinde respuesta R)

Movimiento

Suelo II

Categora Evaluacin

Funcional

Evaluacin de

seguridad

Puentes con caractersticas de

respuesta simple

ESA ISA

Puentes con

caractersticas de

respuestacompleja

Anlisis Esttico Equivalente es

aplicable

ESA y EDA ISA y IDA

Anlisis Esttico Equivalente no esaplicable

EDA IDA

(ESA). La configuracin tipo II incluye puentes con articulaciones intermedias en

la superestructura y clasifican como puentes irregulares. Ver Tabla N 3.7.


66/150

60

Tabla N 3.7. Anlisi s Mnim o Requ erido - CAL TRANS

ESA = Anlisis Elstico Esttico(UL y SM) EDA =Anlisis Elstico Dinmico(MM y TH) ISA =Anlisis Inelstico Esttico(Pushover) IDA =Anlisis Inelstico Dinmico.

3.4. Otros mtodos utilizados por los cdigos estudiados

En cuanto a los mtodos de anlisis inelsticos no se detallan en las normas

revisadas, slo los mencionan. Dichos mtodos son necesarios para

estructuras de configuracin compleja [Ref. 11, 15, 25 y 29], no tomados en

cuenta para este estudio, y que generalmente son puentes que se consideran

irregulares.

Importancia Configuracin Evaluacin

Funcional

Evaluacin de

seguridad

Puente Ordinario Tipo I No requerido ESA o EDATipo II No requerido EDA

Puente importante Tipo I ESA o EDA ESA o EDATipo II EDA EDA, ISA y IDA

CAPTULO IV


67/150

61

REQUERIMIENTOS DE DISEO

En este captulo se describen algunos conceptos dados para el diseo como: la combinacin

ortogonal de las fuerzas ssmicas, los desplazamientos de diseo en los apoyos(tanto para

pilares como para estribos), se habla de los elementos de seguridad como los topes

transversales y otras consideraciones a tomar de otras normas o cdigos como los de las

referencias 7, 8, 9, 10, 26, 35, 36 y 37.

4.1. Combinacin ortogonal de fuerzas ssmicas

Los cdigos AASHTO STANDARD, AASHTO LRFD, CALTRANS,

consideran a las fuerzas ssmicas horizontales provenientes del anlisis en la direccin

longitudinal y transversal, deben combinarse para formar dos estados de carga(Ver FiguraN 4.1):

ESTADO I:Las fuerzas y momentos causados por el sismo, en cada uno de

los ejes principales del elemento se obtiene sumando el 100% del valor

absoluto de las fuerzas elsticas provenientes del anlisis en la direccin

longitudinal del puente, con el 30% del valor absoluto de las fuerzas ssmicas

elsticas provenientes en la direccin transversal del puente.

ESTADO II:Las fuerzas y momentos causados por el sismo, en cada uno de

los ejes principales del elemento se obtiene sumando el 100% del valor

absoluto de las fuerzas elsticas provenientes del anlisis en la direccin

transversal del puente, con el 30% del valor absoluto de las fuerzas ssmicas

elsticas provenientes en la direccin longitudinal del puente.


68/150

Fig ur a N 4.1. Accin sim ultnea de las 2 com ponentes d e las fuerzas de sism o, segn

AASHTO STANDARD, AASHTO LRFD y CALTRANS.

El Cdigo Japons, considera las direcciones actuantes de las fuerzas de inercia en

la direccin del eje del puente y en la direccin perpendicular al eje del puente,

en el caso de un puente recto, como lo muestra la Figura N 4.2. Este reglamento

considera no muy probable que las fuerzas de inercia en las dos direcciones llegarn a ser

mximas simultneamente; es por eso que consideran que estas fuerzas actan en

forma independiente. En el caso de un puente esviado con un gran ngulo de esviaje(en

general para ngulos mayores de =60), pueden ser considerados como puentes rectos

por simplificacin de clculo; de no ser as, las direcciones de las fuerzas actuantes

sern las que se muestran en la Figura N 4.2.

Figura N 4.2. Direccion es actuantes d e las fuerzas de inercia, segn el Cdig o

Japons.

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4.2. Desplazamientos de diseo

Despus de un evento ssmico los apoyos de la superestructura con la subestructura


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sufren desplazamientos longitudinales y laterales, tal como se muestra en la Figura N 4.3.

Figura N 4.3. Desplazamientos q ue c omnmente o curren en p uentes d espus de un

even to s sm ico [ Ref. 3].

Estos desplazamientos pueden ser grandes y podran ocasionar un colapso de lasuperestructura, para ello, los diversos cdigos dan longitudes de apoyo mnimas.

4.2.1. AASHTO STANDARD

Segn las exigencias del AASHTO STANDARD, la longitud de soporte est en

funcin de la Categora de Comportamiento Ssmico. En la tabla N 4.1 y en

las ecuaciones (4.1) y (4.2), se muestran los valores mnimos.

Tabla N 4.1. Long itud m nim a de sop ort e N, segn AA SHTO STANDARD

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Categora de

Comportamiento Ssmico

Mnima longitud de Apoyo N (mm)

A y B N=(203+1.67L+6.66H)(1+0.000125S2) (4.1)B y C N=(305+2.5L+10H)(1+0.000125S2) (4.2)

En la figura N 4.4, se muestra la representacin grfica, para determinar la

longitud de soporte.


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Figura N 4.4. Dimens iones para req uerimien tos m nim os d e sop orte

(AASHTO STANDARD Y AASHTO L RFD).

Donde:L = longitud medida en el tablero en metros a la siguiente junta de expansin o al

extremo del tablero del puente. Para articulaciones entre luces, L debe ser la

suma de L1 + L2, correspondiente a las distancias a ambos lados de la junta.

Para puentes de una sola luz, L es igual a la longitud del tablero.

H = est referido a la altura de la subestructura en metros. Para estribos, H es

la altura promedio de las columnas que soportan al tablero del puente hasta la

prxima junta de expansin. Para columnas y/o pilares, H es la altura del pilar o

de la columna. Para articulaciones dentro de un tramo, H es la altura promedio

entre dos columnas pilares adyacentes. Para puentes simplemente

apoyados, H es considerado 0.

S = ngulo de esviaje de apoyo en grados(), medido desde la lnea normal al

tramo.

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4.2.2. AASHTO LRFD

Los anchos de cajuela en apoyos de expansin debern acomodarse


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65

al mayor de los mximos desplazamientos calculados con los mtodos

de anlisis ssmico o un porcentaje del ancho de cajuela emprica, N,

especificado por la ecuacin (4.3). El porcentaje de N aplicado a cada zona

ssmica deber ser como se especifica en la Tabla N 4.2, adems el ancho

de cajuela ser tomado como lo muestra la Figura N 4.4.

N = (200+0.0017L+0.0067H)(1+0.000125S2) (4.3)

Donde:

N = longitud mnima (emprica) de la cajuela, medido normalmente a

la lnea central del apoyo (mm).

L = distancia del tablero del puente a la junta de expansin adyacente

al final del tablero del puente (mm). Para articulaciones entre luces, L

debe tomarse como la suma de la distancia a ambos lados de la articulacin.

Para puentes de un slo tramo, L es igual a la longitud del tablero del puente (mm).H = para estribos, la altura promedia de las columnas que soportan al

tablero del puente hasta la prxima junta de expansin. Para columnas y/o

pilares, la altura del pilar o de la columna. Para articulaciones dentro de un

tramo, la altura promedio entre dos columnas o pilares adyacentes (mm). Para

puentes simplemente apoyados, se considera 0.

S = desviacin del apoyo medido desde la lnea normal al tramo()

Tabla N 4.2. Porcentaje de N por zon a y co eficiente de aceleracinZona Coeficiente de Aceleracin Tipo de Suelo Porcentaje de N

1


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ecuacin (4.4), y ser mayor a la ecuacin (4.5).SE = uR +uG SEM

SEM = 70 + 0.5l

Adems, uG es determinado con la ecuacin (4.6):

uG =100G L

(4.4)

(4.5)

(4.6)

Donde:

SE=Longitud de asiento de la viga en el apoyo (cm). Esta

dimensin es la longitud de la superestructura desde el extremo de la viga,

como se muestra en la Figura N 4.5, al borde de la parte superior de la

subestructura.

uR =desplazamiento relativo entre la superestructura y el borde de la parte

superior de la subestructura, ocurrido en el lugar de

clculo de la longitud de apoyo de la viga en el soporte (cm).uG =desplazamiento relativo del suelo, ocurrido por unadeformacin del suelo durante un sismo (cm).

SEM =valor mnimo de longitud de asiento de una viga en un soporte (cm).

G =deformacin del suelo durante un sismo, equivalente a

0.0025, 0.00375 y 0.005 respectivamente para suelos tipo I, II y III L =distancia

entre subestructuras afectando la longitud de apoyo de una viga en un soporte

(m). Ver Figura N 4.6.

l =longitud de tramo efectivo (m). Cuando dos superestructuras son

soportadas

comparacion normas sismicas

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