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