CAPÍTULO 4 REQUISITOS Y RECOMENDACIONES PARA EL DISEÑO
5.1 CENTROS DE INVESTIGACIÓN
La complejidad de los terremotos y los efectos que éstos causan han provocado en el ser humano la necesidad de conocerlos para evitar las pérdidas humanas y económicas que éstos traen. Esta necesidad de investigarlos ha producido avances significativos en el diseño sísmico de puentes y el reforzamiento de aquellos que fueron diseñados con normas pasadas.
Entre los centros de investigación que han aportado cambios en los códigos de diseño de puentes y que siguen desarrollando nuevas técnicas se pueden mencionar:
PEER: Pacific Earthquake Engineering Research Center (Centro de investigación de Ingeniería Sísmica del Pacífico). Es un centro de investigación y educación multidisciplinaria, tiene su oficina central en la Universidad de Berkeley, California. Fue creado en 1997 bajo la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). El PEER enfoca su investigación al comportamiento y diseño sísmico de las estructuras, suministrando a los profesionales las necesidades de diseño.
En la tabla 5.1 se muestran las publicaciones que este centro tiene en relación a puentes en su base de datos en internet.
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Tabla 5.1 Investigaciones realizadas por el PEER. [Base de datos en peer.berkeley.edu]
Investigaciones realizadas en relación a puentes. Año de
publicación
Behavior and Failure Analysis of a Multiple-Frame Highway Bridge in the 1994 Northridge Earthquake.
G. Fenves, M. Ellery
1998 Seismic Performance of Well-Confined Concrete Bridge
Columns.
D. Lehman, J. Moehle
1998 Performance Evaluation Database for Concrete Bridge
Componentsand Systems under Simulated Seismic Loads Y. Hose, F. Seible
1999 Structural Engineering Reconnaissance of the August 17,
1999 Earthquake: Kocaeli (Izmit), Turkey
H. Kenneth, J. Elwood, A. Whittaker, K. Mosalam, J. Wallace, J. Stanton
2000
Behavior of Reinforced Concrete Bridge Columns Having Varying Aspect Ratios and Varying Lengths of Confinement A. Calderone, D. Lehman, J. Moehle
2000 Damage to Bridges during the 2001 Nisqually Earthquake
R. Ranf, M. Eberhard, M. Berry 2001
Experimental and Computational Evaluation of Reinforced Concrete Bridge Beam-Column Connections for Seismic Performance
C. Naito, J. Moehle, K. Mosalam
2001
Seismic Response Analysis of Highway Overcrossings Including Soil-Structure Interaction
J. Zhang and N. Makris
2001 Performance of Beam to Column Bridge Joints Subjected to a
Large Velocity Pulse
N. Gibson, A. Filiatrault, S. Ashford
2002 Effects of Large Velocity Pulses on Reinforced Concrete
Bridge Columns
G. Orozco, S. Ashford
2002 Structural Characterization and Seismic Response Analysis
of a Highway Overcrossing Equipped with Elastomeric Bearings and Fluid Dampers: A Case Study
N. Makris, J. Zhang
2002
Seismic Behavior of Bridge Columns Subjected to Various Loading Patterns
A. Esmaeily-Gh., Y. Xiao
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Inelastic Seismic Response of Extended Pile Shaft Supported Bridge Structures
T. Hutchison, R. Boulanger, Y. Chai, I. Idriss
2002 Probabilistic Models and Fragility Estimates for Bridge
Components and Systems
P. Gardoni, A. Der Kiureghian, K. Mosalam
2002 Seismic Demands for Performance-Based Design of Bridges
K. Mackie , B. Stojadinovic 2003
Performance of Circular Reinforced Concrete Bridge Columns Under Bidirectional Earthquake Loading
M. Hachem, S. Mahin, J. Moehle
2003 Analytical Investigations of New Methods for Reducing
Residual Displacements of Reinforced Concrete Bridge Columns
J. Sakai and S. Mahin
2004 Fragility Basis for California Highway Overpass Bridge
Seismic Decision Making
K. Mackie and B. Stojadinovic
2005 Bar Buckling in Reinforced Concrete Bridge Columns
Wayne A. Brown, Dawn E. Lehman, John F. Stanton 2007 Integrated Probabilistic Performance-Based Evaluation of
Benchmark Reinforced Concrete Bridges
Kevin R. Mackie, John-Michael Wong, Bozidar Stojadinovic
2007 Performance Modeling Strategies for Modern Reinforced
Concrete Bridge Columns
Michael P. Berry, Marc O. Eberhard
2007 Experimental and Computational Evaluation of Current and
Innovative In-Span Hinge Details in Reinforced Concrete Box-Girder Bridges - Part 1: Experimental Findings and Pre-Test Analysis
Matias A. Hube, Khalid M. Mosalam
2008
Using OpenSees for Performance-Based Evaluation of Bridges on Liquefiable Soils
Steven L. Kramer, Pedro Arduino, HyungSuk Shin
2008 Shaking Table Tests and Numerical Investigation of Self-
Centering Reinforced Concrete Bridge Columns Hyung IL Jeong, Junichi Sakai, Stephen A. Mahin
2008 Performance-Based Earthquake Engineering Design Evaluation
Procedure for Bridge Foundations Undergoing Liquefaction- Induced Lateral Ground Displacement
Christian A. Ledezma, Jonathan D. Bray
2008 Guidelines for Nonlinear Analysis of Bridge Structures in
California
Ady Aviram, Kevin R. Mackie, Bozidar Stojadinovic
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EERC: Earthquake Engineering Research Center (Centro de Investigación de Ingeniería Sísmica, Universidad de Berkeley)
Su objetivo es conducir la investigación y programas de servicio público con el fin de proteger a la población y sus propiedades de los efectos ocasionados por terremotos.
Tiene como énfasis determinar las características e intensidades de los movimientos fuertes; desarrollar procedimientos analíticos para estimar el daño a sistemas estructurales y mecánicos, mejorar el diseño sismo resistente y desarrollar procedimientos de rehabilitación de estructuras dañadas por sismos.
En la tabla 5.2 se muestran las investigaciones realizadas por el EERC, desde 1994 hasta la actualidad, que se encuentran en la página de internet.
MCEER: Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research. (Centro multidisciplinario de Investigación en Ingeniería Sísmica)
Es un centro nacional por excelencia dedicado a descubrir y desarrollar nuevos conocimientos, herramientas y tecnologías para que las comunidades sean más resistentes a los terremotos y a otros eventos extremos. Con su sede en la Universidad de Buffalo, Nueva York, fue establecida por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en 1986 como el primer Centro Nacional de Investigación para la Ingeniería Sísmica. (NCEER).
En la tabla 5.3 se muestran las investigaciones realizadas por este centro en relación a puentes.
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Tabla 5.2 Investigaciones realizadas por el EERC. [Base de datos en eerc.berkeley.edu]
Investigaciones realizadas en relación a puentes Año de
publicación Earthquake analysis and response of two-level viaducts.
Singh, Satinder P.; Fenves, Gregory L. 1994 Response of the Northwest Connector in the Landers and
Big Bear earthquakes.
Fenves, Gregory L.; DesRoches, Reginald
1994 Seismic behavior and retrofit of older reinforced
concrete bridge T-joints.
Lowes, Laura N.; Moehle, Jack P.
1995 Experimental and analytical evaluation of a retrofit
double-deck viaduct structure.
Zayati, Foued; Mahin, Stephen A.; Moehle, Jack P.
1996 Design and evaluation of reinforced concrete bridges for
seismic resistance.
Aschheim, Mark A.; Moehle, Jack P.; Mahin, Stephen A
1997 New design and analysis procedures for intermediate
hinges in multiple-frame bridges. DesRoches, Reginald; Fenves, Gregory L.
1997 Experimental and analytical studies of the friction
pendulum system for the seismic protection of simple bridges.
Mosqueda, Gilberto; Whittaker, Andrew S.; Fenves, Gregory L.; Mahin, Stephen A.
2004
Estimating seismic demands for 'ordinary' bridges crossing fault-rupture zones.
Goel, Rakesh K.; Chopra, Anil K.
2008
EERI: Earthquake Engineering Research Institute. (Instituto de Investigación de Ingeniería Sísmica)
Tiene como objetivo principal reducir el riesgo sísmico mediante avances de la ciencia y la práctica de la ingeniería sísmica, conocer el impacto que tienen los sismos en el ambiente físico, social, económico, político y cultural, y obtener medidas fáciles de comprender y realizar para reducir los efectos de los terremotos.
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Tabla 5.3 Investigaciones realizadas por el MCEER en relación a puentes. [Base de datos en mceer.buffalo.edu]
Investigaciones realizadas en relación a puentes Año de
publicación The Northridge, California Earthquake of January 17, 1994:
Performance of Highway Bridges.
G.Buckle, B.Douglas, R.Mayes, R.Nutt, S.Thoman
1994 Seismic Evaluation of a 30-Year Old Non-ductile Highway
Bridge Pier and Its Retrofit.
J.Mander, B.Mahmoodzadegan, S.Bhadra, S.Chen
1996 Seismic Performance of a Model Reinforced Concrete Bridge
Pier Before and After Retrofit. J.Mander, J.Kim, C.Ligozio
1996 Seismic Analysis for Design or Retrofit of Gravity Bridge
Abutments.
K.L.Fishman, R.Richards, Jr., R.C.Divito
1997 Seismic Design Criteria for Bridges and Other Highway
Structures.
C.Rojahn, R.Mayes, D.Anderson, J.Clark, J.Hom, R.Nutt, M.O'Rourke
1997 Seismic Design of Bridge Columns Based on Control and
Repairability of Damage. C-T. Cheng, J.B.Mander
1997 Centrifuge Modeling of Cyclic Lateral Response of Pile-Cap
Systems and Seat-Type Abutments in Dry Sands. A.D.Gadre, R.Dobry
1998 Extraction of Nonlinear Hysteretic Properties of Seismically
Isolated Bridges from Quick-Release Field Tests. Q.Chen, B.M.Douglas, E.M.Maragakis, I.G.Buckle
1998 Evaluation of Bridge Damage Data from the Loma Prieta and
Northridge, California Earthquakes. N.Basoz, A.Kiremidjian
1998 Guide to Remedial Measures for Liqufaction Mitigation at
Existing Highway Bridge Sites. H.G. Cooke and J. K. Mitchell
1999 Effect of Vertical Ground Motions on the Structural Response
of Highway Bridges.
M.R. Button, C.J. Cronin and R.L. Mayes
1999 Experimental Study of Bridge Elastomeric and Other Isolation
and Energy Dissipation Systems with Emphasis on Uplift Prevention and High Velocity Near-Source Seismic Excitation A. Kasalanati, M.C. Constantinou
1999 Restrainer Design Procedures for Multi-Span Simply-Supported
Bridges.
M.Randall, M.Saiidi, E.Maragakis and T.Isakovic
1999 Effect of Spatial Variation of Ground Motion on Highway
Structures.
M. Shinozuka, V. Saxena, G. Deodatis
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Seismic Retrofit of End-Sway Frames of Deck-Truss Bridges with a Supplemental Tendon System: Experimental and
Analyical Investigation. G.Pekcan, J.Mander, S.Chen
2000 Experimental Evaluation of Seismic Performance of Bridge
Restrainers.
A.G. Vlassis, E.M. Maragakis, M. Saiid Saiidi
2000 Assessment of Performance of Bolu Viaduct in the 1999 Duzce
Earthquake in Turkey.
P.C.Roussis, M.C.Constantinou, M.Erdik, E.Durukal, M.Dicleli
2002 Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of
Highway Bridges
MCEER/ATC Joint Venture, NCHRP 12-49 Project Team
2003 Second PRC-US Workshop on Seismic Analysis and Design of
Special Bridges.
Edited by George C. Lee and Lichu Fan
2004 Built-up Shear Links as Energy Dissipators for Seismic
Protection of Bridges.
P. Dusicka, A.M. Itani and I.G. Buckle
2006 Experimental Investigation of Blast Performance of
Seismically Resistant Concrete-Filled Steel Tube Bridge Piers.
S. Fujikura, M. Bruneau and D. Lopez-Garcia
2007 Performance of Seismic Isolation Hardware Under Service and
Seismic Loading.
M.C. Constantinou, A.S. Whittaker, Y.Kalpakidis, D.M. Fenz and G.P. Warn
2007 Design of Highway Bridges Against Extreme Hazard Events:
Issues, Principles and Approaches
Edited by G.C. Lee, M. Tong and W. Phillip Yen
2008
TRAC: Washington State Transportation Research Center. (Centro de Investigación de Transporte del Estado de Washington)
Es un centro de investigación formado por la Universidad del Estado de Washington en Pullman(WSU), la Universidad de Washington en Seattle(UW) y el Departamento de Transporte del Estado de Washington (WSDOT). La mayoría de los programas de investigación son financiados por este último.
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NEES George E. Brown, Jr. Network for Earthquake Engineering Simulation. (Red para simulación de la Ingeniería Sísmica)
En internet, se pueden encontrar muchas publicaciones de las investigaciones realizadas. La ASCE (Asociación Americana de Ingeniero Civiles) posee en su base de datos muchas publicaciones con relación a puentes, pero todas ellas tienen un costo. También, las Universidades de Tsukuba y de Tokio, en Japón, tienen sus centros de investigación en Ingeniería Sísmica.
5.2 COLUMNAS AUTO-CENTRABLES.
Esta es una propuesta de mejorar el diseño de subestructuras de puentes en zonas sísmicas, que no se encuentra en ninguna normativa, ya que se están realizando las pruebas necesarias para conocer su comportamiento.
En el año 2005, la Universidad de Washington publicó un estudio titulado “Sistemas de pilas de concreto presforzado
para la rápida construcción de puentes en regiones sísmicas”
en donde se expone la comparación entre dos sistemas de pilas de concreto presforzado, uno es el sistema de concreto reforzado, en el cual se conectan elementos presforzados con acero de refuerzo tradicional y, en el otro llamado sistema híbrido que utiliza cables de alta resistencia postensados y acero de refuerzo para hacer las conexiones.
Los sistemas presforzados tienen el potencial de minimizar la obstrucción del tráfico durante la etapa de construcción,
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brindar una zona de seguridad para el personal, incrementar la calidad de la obra, reducir el impacto ambiental y disminuir costos; por los que se convierten en objetivo de estudio.
Sistema de concreto reforzado:
Este sistema consiste en columnas de concreto presforzado y una viga cabezal presforzada conectada con acero de refuerzo. A este sistema se le llama así, porque la unión entre las columnas y viga cabezal es de concreto reforzado y además el comportamiento estructural es igual al de un sistema de concreto reforzado (colado in-situ). La resistencia a flexión es brindada por el acero de refuerzo y la compresión por el concreto. Este sistema puede ser aplicable a una gran variedad de fundaciones coladas en el sitio. En la figura 5.1 se muestra el detalle de la pila soportada por pilotes colados in-situ.
Figura 5.1 Elevación sistema pila de concreto reforzado. [Adaptada de Hieber y otros, 2005:p.19]
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Las columnas presforzadas en este sistema imitan las tradicionales columnas de concreto reforzado coladas in-situ. Si las conexiones realizadas entre los componentes son de alta calidad, se espera un comportamiento sísmico igual al de una pila de concreto colada en el sitio.
Sistema híbrido:
En este sistema, las conexiones entre las columnas de concreto presforzado y la viga cabezal son hechas con el acero de refuerzo y el acero de presfuerzo. Este último es anclado dentro de la cimentación a través de un ducto localizado en el centro de la columna y luego anclado en un diafragma colado en el sitio.
Las pilas se balancean durante un sismo, la rotación causada por el movimiento entre la pila y la viga cabezal son absorbidos por la pila concentrándose en la parte superior e inferior. Los tendones no disipan la energía durante el ciclo de carga como el acero de refuerzo, ellos tienen la habilidad de re-centrar la pila. Esta habilidad permite que las pilas híbridas tengan poco desplazamiento residual después de un sismo.
En estas columnas no se esperan grietas, porque la tensión esperada se distribuye a lo largo del postensado. En la figura 5.2 se muestra la elevación de este sistema.
Los resultados presentados en este estudio sugieren que estos sistemas presentan un buen comportamiento sísmico. Sin embargo, recomiendan realizar investigaciones analíticas y experimentales adicionales sobre la constructibilidad y el
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desempeño sísmico de las conexiones antes de aplicarlos en el diseño de puentes.
Figura 5.2 Elevación de sistema híbrido. [Adaptada de Hieber y otros, 2005:p.35]
Los puentes de columnas de concreto reforzado que están localizados en regiones de alta actividad sísmica son diseñados con gran capacidad a ductilidad para obtener una protección adecuada contra el colapso. Este tipo de diseño tiende a incrementar los desplazamientos residuales. Para maximizar la operabilidad del puente después de un sismo y minimizar los costos de reparación, es necesario nuevas estrategias para reducir estos desplazamientos.
El PEER presentó en el 2004 un estudio llamado “Investigaciones Analíticas de Nuevos Métodos para Reducir los Desplazamientos Residuales en Columnas de Concreto Reforzado de Puentes”. En donde se aborda el comportamiento y diseño sísmico de columnas de concreto reforzado; además, se realizan análisis pseudo estáticos y dinámicos de columnas de concreto presforzadas para determinar la efectividad en
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cuanto a reducir los desplazamientos residuales. En las figuras 5.3 y 5.4, se muestran varias configuraciones de columnas presforzadas.
Los resultados del análisis pseudo estático para más de 250 columnas con varias configuraciones de tendones que demuestran:
La incorporación de un solo conjunto de tendones en el centro de la sección transversal resulta en una reducción del 85% de los desplazamientos pseudo estáticos.
La rigidez postfluencia puede ser controlada variando la cantidad de refuerzo incorporado dentro de las columnas. Pequeñas cantidades de tendones longitudinales son
preferibles para resistir los desplazamientos residuales; sin embargo, esto resulta en poca resistencia a flexión y bajos niveles de disipación de energía.
En el documento, se recomienda realizar investigaciones adicionales antes de aplicar esta tecnología en el diseño de puentes, en las siguientes áreas:
Deben hacerse investigaciones experimentales para desarrollar modelos analíticos para predecir, con suficiente precisión, los desplazamientos residuales después que un sismo ha excitado a las columnas con tendones de presfuerzo.
El efecto de cargas en varias direcciones debe ser determinado por pruebas dinámicas mediante un estudio analítico.
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Deben realizarse análisis dinámicos de puentes con múltiples claros soportados por columnas con tendones de presfuerzo para investigar la respuesta del sistema.
Figura 5.3 Secciones transversales de columnas evaluadas con acero de presfuerzo. [Sakai y Mahin, 2004:p.65]
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Se recomienda al lector revisar estas referencias ya que ahí se presentan todas las pruebas y resultados obtenidos.
www.wsdot.wa.gov/research/reports/fullreports/611.1.pdf peer.berkeley.edu/publications/peer_reports_complete.html
Los centros de investigación presentan anualmente un reporte de los resultados obtenidos en los proyectos de investigación. La mayoría de estos reportes no son gratuitos, y se pueden encontrar a la venta en las páginas web de cada centro. A continuación se muestran los sumarios de algunos reportes.
Caracterización experimental y optimización de sistemas de superestructuras híbridas de puentes de FRP/RC. (Fibra de vidrio reforzada/Concreto reforzado).
A principios del año 2009, ASCE (Asociación Americana de Ingenieros Civiles) publicó un documento elaborado por Yizhuo Chen y otros en donde se presentan los resultados de una investigación experimental realizada para determinar el funcionamiento de un sistema de puente de concreto reforzado con fibras de polímeros. Se ensayó un espécimen de losa de 32 pulgadas. Inicialmente el espécimen fue sujeto a carga estática. El desplazamiento, deformación y emisiones acústicas fueron registradas. La carga fue aplicada con varios incrementos hasta llegar a la falla excediendo en 18 veces la carga de diseño calculada. Los resultados de las pruebas estáticas indican que el diseño original del puente híbrido era muy conservador.
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Cimentaciones para estribos integrales.
En 2007, la ASCE publicó un documento titulado “Cimentaciones
para estribos integrales” en donde se aborda los conceptos de
diseño de estas estructuras. Este tipo de estribos eliminan el uso de juntas de expansión en la superestructura de los puentes. Algunos tipos de cimentaciones analizadas son pilotes colados in-situ, pilotes prefabricados y pilotes confinados por acero. La cimentación típica para soportar estribos integrales son los pilotes H de acero, pero dependiendo de la longitud del puente, el esviaje y las condiciones del sitio, se pueden utilizar otros tipos de fundaciones como pilotes de concreto presforzado, pilotes envueltos en metal, entre otros. Se revisan varios métodos de diseño y límites propuestos para estribos integrales típicos.
Acumulación de daños en columnas de concreto reforzado ligeramente confinadas.
El PEER, en el año 2006 presentó un documento llamado
“Acumulación de daños en columnas de concreto reforzado ligeramente confinadas” en donde se presentan los resultados
de las pruebas realizadas a seis columnas de concreto reforzado para evaluar los efectos de cargas cíclicas sobre el daño progresivo en columnas circulares de concreto reforzado ligeramente confinadas. Las seis columnas ensayadas fueron diseñadas con las especificaciones de diseño del Departamento de Transporte del Estado de Washington usado a principios de 1970.
Las columnas fueron sujetas a una serie de cargas obteniéndose la relación carga lateral-deformación. Los
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resultados de las pruebas muestran que al incrementar el número de ciclos de 1 a 15 en cada nivel de deformación, se obtiene una reducción de aproximadamente el 30% de la deformación máxima de la columna y, en los últimos tres estados finales de daños: de 20% a 50% en pérdida de capacidad a carga lateral y la pérdida de capacidad a carga axial. Se utilizaron tres modelos para evaluar el efecto de los ciclos de carga sobre la acumulación de los daños.
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CONCLUSIONES.
• Muchos de los daños ocasionados en estructuras de puentes durante los terremotos de Northridge, EUA y Kobe, Japón; ocurrieron porque se excedieron los límites elásticos. Lo anterior, debido a que la filosofía con la que fueron diseñados no contemplaba este comportamiento.
• La filosofía de diseño LRFD tiene como objetivo primordial el no colapso de las estructuras ante las solicitaciones a las que esté sometida durante su vida útil. Al utilizar esta filosofía en zonas con alta actividad sísmica se espera que: durante un sismo de pequeña a mediana intensidad la estructura resista dentro del rango elástico sin mostrar daños y durante un sismo severo presente cierto daño, pero sin llegar al colapso.
• Los puentes diseñados con la filosofía de diseño LRFD han mostrado menores daños, porque se considera en el diseño un análisis y comportamiento más real ante solicitaciones sísmicas.
• El Salvador se encuentra en una región con alta actividad sísmica, por lo que la norma AASHTO LRFD puede ser utilizada en el país debido a que contiene consideraciones para la determinación de los efectos sísmicos, pero el cálculo de las cargas deben realizarse utilizando factores locales.