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CAPITULO I. INTRODUCCION
Durante el transcurso del desarrollo de las estructuras, el comportamiento de los Puentes
ha interesado a los diseñadores y constructores de los mismos. Sin embargo, no se ha
logrado tener un conocimiento que pronostique totalmente el desempeño de los puentes
durante su vida útil. Ejemplo de esto es que actualmente han colapsado algunas de estas
estructuras por sismos en diferentes lugares geográficos, cuya intensidad ha sido menor
que aquella para la que fueron diseñados. Estas fallas se atribuyen a la combinación de
diferentes aspectos, pero cabe mencionar que los sismos que lo ocasionaron fueron de
intensidad moderada.
El año anterior en México se presento un colapso de un puente en construcción, donde los
estudios preliminares muestras que una de las causas que parte del problema fue
ocasionado por sismos de baja intensidad.
Con todo esto es claro que existe la necesidad de realizar más estudios acerca del
comportamiento de los puentes, sobre todo ante acciones externas accidentales.
Definición Operacional
El presente informe contempla del proyecto de Tesis de Maestría en Ingeniería
Estructural en la Universidad Autónoma Metropolitana, División Azcapotzalco de la
ciudad de México D. F.; el cual lleva por título “ANÁLISIS DE LOS COEFICIENTES TRIDIRECCIONALES EN PUENTES”.
La tesis busca estudiar el efecto de la componente vertical por el movimiento del terreno
producido por un sismo en Puentes. Haciendo análisis modal espectral y paso a paso de
respuesta elástica e inelásticamente, aplicando cargas en forma bidireccional (se realizara
una revisión bajo la acción sísmica de dos componentes horizontales ortogonales del
movimiento del terreno) y tridireccionales (con la adición de una componente vertical
ortogonal a las anteriores) sobre modelos de puentes regulares e irregulares. Donde un
comportamiento elástico significa que en el análisis se supondrá que los elementos
estructurales no incurren en el rango elástico.
El alcance de este proyecto será llegar a confrontar los resultados obtenidos y
compararlos con los códigos que rigen actualmente el diseño de puentes; de esta manera
poder emitir recomendaciones y conclusiones que sean beneficiosas para obtener diseños
seguros en este tipo de estructuras.
Planteamiento del Problema
En la actualidad se habla de fallas y mejoras en las Filosofías de Diseño vigentes para
puentes, y por la falta de comprensión y detalle de cada uno de los elementos que en
estos intervienen. El problema se atribuye también a que se subestiman los
desplazamientos sísmicos, causados por considerar las rigideces en las secciones gruesas
y bajos niveles en las fuerzas laterales. [5]
Además se reconoce que estas estructuras tienen un comportamiento mas transparente
debido a la simplicidad aparente del conjunto de elementos que lo conforman. Sin
embargo se tienen pocas o inexistentes redundancias, y que la falla de un elemento
estructural o conexión entre elementos producirán el colapso del mismo. La mayoría de
edificios colapsan cuando varios de sus elementos han alcanzado su resistencia máxima.
Esta característica estructural se conoce como redundancia. Esto se debe reflejar en un
reglamento que tenga mayores fuerzas de diseño y menores factores de ductilidad para
puentes.
Por lo general los movimientos del terreno con alta intensidad en la componente vertical
son asociados a sismos superficiales con energía contenida en altas frecuencias;
asociadas a sistemas con periodos verticales muy cortos; motivo por el cual se presentan
desplazamientos cortos y la probabilidad de ocurrencia momentos rotacionales. En casos
de periodos verticales largos, los desplazamiento son grandes, pero las aceleraciones
espectrales son pequeñas, en consecuencia la probabilidades de rotación plástica son
pequeñas por Perea, T. y Esteva L. [9].
Verificabilidad, posibilidad de constatación y comprobación
Cuando una estructura se somete a un sismo, las ondas que este produce arriban a la
estructura con muy diferentes orientaciones. En el diseño se presuponen que dichas
ondas actúan en direcciones perpendiculares, con diversos factores de influencia debido a
la poca probabilidad de que ocurra con la misma intensidad.
Con el propósito de verificar el presente estudio se pretende realizar un modelo de una
estructura real ya ejecutada, y con base en herramientas computacionales, y analizando
elásticamente el comportamiento de la misma antes cargas sísmicas; realizando las
comparaciones de las propuestas plasmadas en los diferentes códigos de diseño; De esta
manera constatar los beneficios o vacíos que se puedan presentarse al realizar un Diseño
seguro de Puentes, incluyendo diversas combinaciones de carga.
Obtener a partir del análisis bi-direccional las siguientes graficas:
a. Carga longitudinal vs. Carga Transversal
b. Carga longitudinal vs. Carga Vertical
c. Carga Transversal vs. Carga Vertical
Realizar un modelo de una estructura Irregular
a. Irregularidad en la altura de las Columnas
b. Esviaje
c. Puentes curvos
Conclusiones y recomendaciones.
CAPITULO II.
MARCO TEORICO
2.1. GENERALIDADES
Puente es aquella construcción de piedra, ladrillo, madera, hierro, hormigón, etc., que se
construye y forma sobre ríos, fosos y otros sitios, para poder pasarlos.
Los puentes se pueden clasificar para facilitar y delimitar los sistemas constructivos y
criterios de análisis y diseño. Por esta razón se catalogaran por su tamaño, tipo
estructural, importancia, resistencia lateral y geometría.
Tipo Estructural, de acuerdo al comportamiento estático se clasifican como simplemente
apoyados y continuos (Figura 1). Los segundos incluyen desde puentes de claros medios,
con continuidad solamente en la superestructura, hasta puentes colgantes, atirantados y
empujados.
Figura 1. Puentes simplemente apoyados, continuos y tipo Gerber
Los puentes según su geometría deberán clasificarse como regulares e irregulares. En
puentes con dos o mas claros podrá hacerse una clasificación distinta para cada
componente o módulo del puente. Con fines de clasificación por geometría, no se podrá
considerar aislados dos soportes del puente sobre los que descansa la superestructura con
apoyos deslizantes o de neopreno; esto es debido a que el movimiento que se presentara
entre ambos soportes puede ser distinto, lo que ocasionaría la perdida de apoyo de la
superestructura, situación que se agrava notablemente en puentes irregulares. Un puente
irregular será aquel que en el se cumpla al menos una de las siguientes características:
• Los puentes en línea recta con apoyos enviajados que formen ángulos mayores que 25
grados con respecto al eje transversal del camino.
• Puentes curvos que subtiendan un ángulo de un estribo a otro, o al final del puente,
mayor que 25 grados, medido desde el eje principal del camino.
• Existen cambios abruptos en rigidez lateral o en la masa a lo largo de su longitud. Los
cambios en estas propiedades que excedan 25 por ciento de apoyo a apoyo,
excluyendo estribos, deberán ser considerados abruptos.
Figura 2. Puentes irregulares en planta y elevación.
Según las anteriores características un puente puede resistir diferentes solicitaciones
laterales, los cuales se pueden clasificaron como:
• Marcos. Aquéllos en que exista continuidad entre vigas, cabezales y columnas,
excepto con los estribos.
• Pilas y muros de concreto reforzado. Son aquellos elementos anchos cuyo
comportamiento previsible ante carga lateral es por cortante y no por flexión.
• Columnas aisladas. Todos aquellos en los que una columna es el único elemento
sismo resistente y que trabaja a flexocompresión en la dirección de análisis.
• Péndulo Invertido. Serán todos aquellos puentes apoyados sobre una columna en los
que se presente cabeceo de la superestructura.
• Estribos. Elementos que rematan las rampas de acceso en el caso de puentes en áreas
planas o el apoyo en laderas en puentes en zonas montañosas o en las zonas cercanas
a la orilla de los ríos.
La estructura de un puente esta compuesta por dos partes:
• La subestructura comprende aquellos elementos que se encuentran sobre los
soportes (Superficie de rodamiento, losa, vigas)
• La subestructura esta conformada por los elementos que requiere la superestructura
para sustentarse (apoyos, columnas, pilas, estribos y cabezales) cuya función es
transmitir eficientemente las cargas de la superestructura a la cimentación.
2.2. REGLAMENTOS Y CÓDIGOS DE DISEÑO SISMORESISTENTE
A continuación se presentan algunos apartes de los reglamentos o normas de
construcción de puentes, cuya relevancia implica ser tenidos en cuenta para el presente
estudio.
Estos son algunos de los diferentes códigos que rigen actualmente el diseño de este tipo
de estructuras, como son:
• AASTHO (American Association of State Highway and Transportation Officials)
• EUROCODIGO
• CALTRANS (California Department of Transportation)
• IMT (Instituto Mexicano del Transporte)
• Manual de diseño de Obras Civiles Comisión Federal de Electricidad
• Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes
• Otros
2.2.1. AASTHO
(3.9) Combinación de fuerzas sísmica ortogonales
Una combinación de fuerzas sísmicas ortogonales se usa para cuantificar la incertidumbre
direccional del sismo y las simultáneas fuerzas ocurrentes en dos direcciones horizontales
perpendiculares. Las fuerzas elásticas sísmicas y momentos resultantes del análisis en dos
direcciones perpendiculares según el articulo 3.8 se combinara en dos casos, como:
CASO DE CARGA 1: Fuerzas sísmicas y momentos sobre cada uno de los ejes principales
de un miembro se obtendrán al adicionar el 100% del valor absoluto de la fuerza y
momento sísmico del miembro elástico resultado del análisis en una dirección
perpendicular (longitudinal) y el 30% del valor absoluto de las fuerzas y momentos
sísmicos resultado del análisis en la segunda dirección perpendicular (transversal).
CASO DE CARGA 2: Fuerzas sísmicas y momentos sobre cada uno de los ejes principales
de un miembro se obtendrán al adicionar el 100% del valor absoluto de la fuerza y
momento sísmico del miembro elástico resultado del análisis en una dirección
perpendicular (transversal) y el 30% del valor absoluto de las fuerzas y momentos
sísmicos resultado del análisis en la segunda dirección perpendicular (longitudinal).
2.2.2. EUROCODIGO
(4.1.7) Componente Vertical de la acción sísmica
Los efectos de la componente sísmica vertical en las pilas pueden, por lo general, omitirse
en zonas de sismicidad baja o media. En zonas de gran sismicidad solo es preciso estudiar
estos efectos en los casos excepcionales en los que las pilas están sometidas a elevadas
tensiones de flexión debidas a las acciones permanentes del tablero.
Se deberán estudiar los efectos de la componente sísmica vertical en sentido ascendente
actuando sobre los puentes con tableros de hormigon pretensado.
Siempre deberán comprobarse los efectos de la componente sísmica vertical sobre los
apoyos y uniones.
Pueden estimarse los efectos de la componente vertical usando tanto el método del
modo fundamental como el modelo de tablero flexible (Apartado 4.2.2.4).
(4.2.1.4) Combinación de las componentes de la acción sísmica
El efecto probable E de la acción máxima debida a la actuación simultanea de acciones
sísmicas a lo largo de los ejes horizontales X e Y del eje vertical Z puede estimarse a partir
de los efectos de las acciones máximas Ex, Ey, y Ez debido a las acciones sísmicas
independientes según cada eje.
222
EzEyExE ++=
También es suficiente usar como acción sísmica de proyecto AEd la combinación pésima
entre las siguientes:
AEx + 0.30AEy + 0.30AEz
0.30AEx + AEy + 0.30AEz
0.30AEx + 0.30AEy + AEz
Donde AEx, AEy y AEz son las acciones sísmicas en cada dirección X, Y y Z respectivamente.
AEz deberá considerarse de acuerdo con los requisitos del apartado (4.1.7.)
2.2.3. MDOC Manual de diseño de Obras Civiles
De (3.11.4.3) para los puentes no regulares siempre se debe incluir el efecto del
componente vertical del movimiento del terreno, ya que se pueden generar fuerzas
axiales adicionales en la pilas y en consecuencia aumentar la demanda de ductilidad de
estas.
2.2.4. CALTRANS
(2.1.2) Movimiento Horizontal y Vertical
Los efectos por movimientos sísmicos pueden ser determinados aplicando cualquiera de
los siguientes métodos:
Método 1 La aplicación del movimiento del terreno en dos direcciones ortogonales a
lo largo de los ejes globales, ver figura 3.
Caso I: Combinación de la respuesta resultantes de aplicar el 100% de la
carga transversal y el 30% de la carga longitudinal.
Caso II: Combinación de la respuesta resultante de aplicar el 100% de la
carga longitudinal y el 30% de la componente transversal.
Método 2 La aplicación del movimiento del terreno a lo largo de los ejes principales
en componentes individuales. El movimiento del terreno puede ser aplicado en un
número suficiente de ángulos para alcanzar la máxima deformación de todas las
componentes críticas.
(2.1.3) Movimiento vertical del terreno
Para puentes Estándar ordinarios donde la aceleración máxima en sitio de roca es 0.6g o
mayor, una carga estática equivalente puede ser aplicada a la superestructura para
estimar los efectos de la aceleración vertical1. La superestructura puede ser diseñada para
resistir la fuerza vertical aplicada, especificada en 7.2.2. Un caso para la determinación del
efecto vertical se requiere en puentes no estándar o de tipo importante.
1. Este es un método provisional para aproximar los efectos de aceleración vertical sobre la capacidad de la
superestructura. Se intenta asegurar que todos los tipos de superestructura, especialmente los de sección ligera
como P/S sección cajón, que tiene una cantidad pequeña de refuerzo para resistir los efectos combinados de
carga muerta, sismo, y preesfuerzo en la dirección superior e inferior. Tema que continúa en estudio.
Figura 3. Definición de ejes Local-Global
(2.1.4) Combinación de carga Horizontal/Vertical
La combinación de la carga horizontal y vertical no es requerida para el análisis de
puentes estándar.
(7.2.2) Aceleración Vertical
Si la aceleración vertical es considerada, un análisis separado de la capacidad nominal de
la superestructura se puede llevar a cabo basado en la aplicación de una fuerza vertical
uniforme igual a 25% de la carga muerta aplicada cabía arriba y hacia abajo, ver figura 4.
Se asume que la superestructura esta fija al estribo en la dirección vertical, arriba o abajo.
La capacidad a flexión de la superestructura puede ser considerada a partir del refuerzo
continuo ubicado en la parte superior e inferior de la losa. El efecto de la carga muerta,
primarios y secundarios pretensazos pueden ser ignorados.
Figura 4. Cargas y momentos verticales estáticos equivalentes
Se puede observar que algunos reglamentos como el EUROCODIGO, Manual de Diseño
de Obras Civiles, Caltrans hacen referencia a incluir la componente vertical en el diseño
sísmico de Puentes, algunos indicando métodos de aplicación, que dependen de la
intensidad sísmica del lugar y del tipo del terreno; sin embargo reglamentos de la
importancia de la AASHTO no tienen en cuenta la componente vertical del sismo, pero,
hace la notación de la falta de incluir esta componente dentro del diseño sísmico y
recomienda hacer una revisión adicional bajo criterio del diseñador, pero no se indica una
metodología guía.
REFERENCIAS
[1] AASTHO., “Standard Specifications for Highway Bridges” Caps. I al XIV. 1977
[2] Castellanos S, Mireles R y Reinoso E., “Ductilidad y sobreresistencia en Puentes”,
Memorias Técnicas XII Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, León, Gto.
[3] EUROCODIGOS., “Disposiciones para el proyecto de estructuras sismorresistentes”
Tomo 8, parte 2, pags. 34 a 36. 1998
[4] Heins C, Lawrie R., “Design of Modern Concrete Highway Bridges” Krieger. 1992
[5] Instituto de Ingeniería UNAM., “Manual de Diseño de Estructuras Prefabricadas y
Presforzadas”, Cap. 4.
[6] MDOC., “Manual de diseño de Obras Civiles”, Cáp. II, Comisión Federal de
Electricidad. 1993.
[7] Young, W. C. & Budynas, R. G. “Roark´s formulas for stress and strain” Mc. Graw Hill.
7th. Edition 2002
[8] Chopra, A. K. “Dynamics of structures: theory and applications to earthquake
engineering”. Prentice Hall. USA. 1995
[9] Perea, T. & Esteva L., “Effects of the vertical ground motions on the non-linear
analysis of reinforced concrete frames” 13WCEE, 2004
[10] SDC-2004 “The Caltrans Seismic Design Criteria”, http://caltrans-opac.ca.gov/publicat.htm,
Febrero de 2004
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