VARIABLES CRÍTICAS QUE CONDICIONARON EL DAÑO EN PUENTES Y
PASARELAS DURANTE EL TERREMOTO DEL MAULE DE 2010
Hernán Santa María
Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Pontificia Universidad Católica de Chile, y Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales CONICYT/FONDAP/15110017 [email protected]
Santiago, Chile
Matías Hube
Departamento de Ingeniería Estructural y Geotécnica, Pontificia Universidad Católica de Chile, y Centro Nacional de Investigación para la Gestión Integrada de Desastres Naturales CONICYT/FONDAP/15110017 [email protected]
Santiago, Chile
Tamara Cabrera
Ministerio de Obras Públicas, Chile [email protected] Santiago, Chile
Resumen
El objetivo de este trabajo es obtener las variables críticas que condicionaron el daño en puentes y pasarelas peatonales durante el terremoto del Maule de 2010. Este tipo de análisis es de gran utilidad para la toma de decisiones de reforzar estructuras vulnerables, y también entrega recomendaciones que podrían ser incluidas en el Manual de Carreteras. Se realizó un análisis estadístico de 88 pasos inferiores y 188 pasarelas peatonales ubicados en las Rutas 5 y en la autopista Los Libertadores. La base de datos incluye 3 pasos inferiores y 19 pasarelas peatonales que presentaron colapso total o parcial. Se consideró la ubicación, zona sísmica, el nivel daño de cada estructura y su configuración estructural.
Para caracterizar el daño se definieron cuatro niveles, en donde el daño mayor corresponde a un colapso total o parcial. Se concluye que las variables críticas que condicionaron el daño en pasos inferiores son la presencia o ausencia de topes laterales, el ángulo de esviaje, y la ubicación geográfica de los puentes. Para las pasarelas peatonales, la variable crítica que condicionó el daño es la estructuración: se identificaron siete tipos distintos de estructuración y las pasarelas que tuvieron el mejor desempeño fueron aquellas con conexión monolítica entre pilares y vigas. Finalmente, se concluye que es necesario definir un nuevo mapa de amenaza sísmica continuo para Chile.
Abstract
The objective of this work is to obtain the critical variables that determined the damage to bridges and pedestrian bridges during the 2010 Maule earthquake. Such analysis is useful for decision making to strengthen vulnerable structures. It also provides recommendations which could be included in the bridge Design Code. A statistical analysis of 88 underpasses and 188 pedestrian bridges located along Routes 5 and Los Libertadores highway was performed. The database contains 3 underpasses and 19 pedestrian bridges that suffered partial or total collapse. Location, seismic zone, the damage level of each structure, and the structural configuration of the bridges were considered. Four damage levels were defined, where the highest damage corresponds to a full or partial collapse. It is concluded that the critical variables that conditioned damage of underpasses are the presence or absence of stoppers, the skew angle, and the geographic location of the bridges. For pedestrian bridges, the critical variable that determined the damage is the structural configuration: seven different types of structures were identified and pedestrian bridges that performed best were those with monolithic columns to girder connections.
Finally, we conclude that it is necessary to define a new continuous seismic hazard map for Chile.
Palabras Clave: puentes; pasarelas peatonales; daño sísmico; vulnerabilidad sísmica Keywords: bridges; pedestrian bridges; seismic damage; seismic vulnerability
Introducción
Un terremoto de magnitud Mw 8.8 ocurrió en Chile el 27 de febrero de 2010 con epicentro en la región del Maule (Boroscheck et al., 2012). Más de 300.000 edificaciones sufrieron daños en menor o mayor grado, incluyendo algunos casos de colapso total de las estructuras principales (Elnashai et al., 2012). Se registraron 830 fallas en carreteras, en los sectores públicos y privados. De los aproximadamente 12.000 puentes carreteros existentes en Chile, cerca de 300 se dañaron por este evento sísmico (Buckle et al., 2012). De estos puentes dañados, aproximadamente 67% eran puentes públicos y 33%
puentes concesionados. Los daños observados con mayor frecuencia fueron: daño entre la súper y la subestructura;
desplazamiento transversal y/o giro de la superestructura;
desmonte de tramos debido al ángulo de esviaje; y agrietamiento de vigas de hormigón pretensado inducido por el impacto con topes laterales (Buckle et al., 2012; Elnashai et al., 2012; Kawashima et al., 2011.; Hube et al. 2010; Schanack et al., 2012.; Yen et al., 2011).
El total de pérdidas económicas debido al terremoto se estimó en 30.000 millones de dólares (Elnashai et al., 2012), lo que equivale a aproximadamente al 17% del PIB de Chile. El costo de reparación de los daños en la infraestructura vial se estimó en US$850 millones (MOP, 2010). La emergencia y el programa de reconstrucción del Ministerio de Obras Públicas (MOP) consideraron alrededor de US$500 millones para reparar la infraestructura vial pública.
Las estructuras de los puentes chilenos se clasifican en cuatro categorías: puentes, pasos inferiores, pasos superiores y pasarelas peatonales. El puente es una estructura que se utiliza para cruzar ríos, arroyos y otros obstáculos naturales o artificiales. Los pasos inferiores y superiores son estructuras donde la ruta principal pasa por debajo o encima de la ruta secundaria, respectivamente. Las pasarelas peatonales, son estructuras que permiten el paso de peatones sobre la carretera.
El objetivo principal de este estudio es obtener las variables críticas que explican los daños observados en puentes en el terremoto. Para cumplir este objetivo se realiza un análisis estadístico de 88 pasos inferiores y 188 pasarelas peatonales.
Los pasos inferiores se ubican en el tramo de la Ruta 5 sur comprendido entre el río Maipo (km 29) hasta la zona sur de Chillán (km 412). Los pasos inferiores típicos son estructuras de dos tramos, con un pilar central y dos estribos. Las pasarelas peatonales estudiadas se ubican a lo largo de la Ruta 5, entre Nogales (km 115 km de la Ruta 5 norte), y Angol (km 575 de la Ruta 5 Sur). Además, en este estudio se incluyen pasarelas peatonales ubicadas a lo largo de 15 km de la ruta de Los Libertadores, al norte de Santiago.
En este documento, en primer lugar se presenta el análisis estadístico de los pasos inferiores. En segundo lugar, se
presenta el análisis estadístico de pasarelas peatonales.
Finalmente, se presentan las conclusiones se las variables críticas que podrían explicar el daño.
Pasos Inferiores
A partir de la llegada de las empresas concesionarias a mediados de los años 90, el diseño de los pasos inferiores ha ido evolucionando. Antes de los 90, el diseño típico de los pasos inferiores consistía en una losa de hormigón armado (HA) sobre vigas simplemente apoyadas de hormigón pretensado que se unían mediante diafragmas transversales de HA. Los puentes tenían topes laterales de HA para restringir el desplazamiento de la superestructura, y se colocaban barras sísmicas para controlar el desplazamiento vertical de las vigas.
En los nuevos diseños, es común encontrar puentes sin diafragma transversal de HA, y con tapas de HA en vez de topes laterales de HA, ver Figura 1. Las tapas son elementos verticales de HA que se colocan en los extremos de las vigas o estribos del puente y se colocan por razones estéticas. Estos elementos no se diseñan para limitar el desplazamiento transversal de las vigas. En otros nuevos diseños, los topes laterales de HA y las barras sísmicas fueron reemplazados por topes de acero que cumplen simultáneamente la función de estos dos elementos (Hube y Rubilar 2012). Pasos inferiores con estos topes de acero no se observaron en el tramo de la ruta 5 Sur considerada en este estudio.
Figura 1. Puente con (a) tope lateral de HA, y (b) tapa de HA.
Base de datos de pasos inferiores
Para realizar el análisis estadístico de pasos inferiores se elaboró una base de datos con 88 estructuras (Toro et al.
2013). Este número corresponde al número total de pasos inferiores existentes en el tramo seleccionado de la Ruta 5 Sur.
La base de datos se elaboró usando planos estructurales, reportes de inspección de daños e informes de mecánica de suelos de la mayoría de los puentes. La base de datos incluye para cada puente: ubicación, zona sísmica, largo y ancho de la superestructura, ángulo de esviaje, número de vigas de hormigón pretensado por vano, presencia o ausencia de diafragma transversal de HA, presencia de tope lateral de HA o tapa lateral de HA, número de barras sísmicas, descripción del daño, y la acción de reparación requerida en cada puente.
En base a la inspección en terreno de los daños de los puentes, y usando los informes con la descripción detallada de los daños,
(a) (b)
el daño global de cada puente se clasificó usando cuatro niveles de daño (ND). Adicionalmente, el daño local en las vigas de hormigón pretensado también se clasificó usando cuatro niveles de daño. El daño en los caminos y terraplenes de acceso no se consideró en este estudio.
El nivel de daño global de cada puente se asignó en base a la condición de operación del puente después del terremoto. ND- 1 corresponde a un puente si daño; ND-2 corresponde a un puente que sufrió daño leve y que no requirió reparación o requirió una reparación leve; ND-3 corresponde a un puente dañado que requirió reparación mayor; y ND-4 corresponde a colapso. En forma similar, se asignó nivel del daño local de las vigas de hormigón pretensado. Ejemplos de los cuatro niveles de daño para el puente completo y para las vigas de hormigón pretensado se muestran en la Figuras 2 y 3, respectivamente.
Figura 2. Nivel de daño general en pasos inferiores.
Figure 3. Nivel de daño local en vigas pretensadas de pasos inferiores.
De los 88 pasos inferiores considerados, 85 se construyeron sin diafragma transversal a pesar de que 24 de ellos estaban ubicados en zona sísmica 3, en donde el Manual de Carreteras (MOP, 2002) exige el uso de estos diafragmas. El daño de los pasos inferiores de esta base de datos varió desde sin daño (ND-1) hasta el colapso (ND-4). Las variables analizadas en este
artículo son la configuración del tope lateral, el ángulo de esviaje y la ubicación geográfica o zona sísmica.
Configuración del tope lateral
De los 88 pasos inferiores considerados, 38 tenían tope lateral de HA, 41 tenían tapa de HA, y 9 tenían una combinación de tope y tapa, o tenían una configuración estructural distinta (p.e.
puente de viga cajón). El número de pasos inferiores con distinto nivel de daño global, diseñados con tapa o tope, se muestra en la Figura 4. La figura muestra que los 3 puentes que colapsaron (puentes con ND-4) fueron diseñados con tapa. Por otro lado, 5 puentes con tapa y 16 puentes con tope sufrieron daño severo (ND-3). Por lo tanto, a pesar de que los puentes con tope no colapsaron, estos si tuvieron daño severo. El número de puentes sin daño (ND-1) fue de 14 para puentes con tapa y 5 para puentes con tope. Es decir, el porcentaje de puentes con tapa que no tuvo daño (34%) fue menor al porcentaje de puentes con tope que no tuvo daño (13%).
Figura 4. Número de pasos inferiores con tapa o tope lateral de HA según el nivel de daño global.
El porcentaje de puentes con tapa o tope lateral de HA, según el nivel de daño en local las vigas se muestra en la Figura 5. La figura muestra que los puentes con tapa tuvieron un porcentaje mayor de puentes sin daño en las vigas (78%), en comparación con los puentes con tope (45%). Adicionalmente, el porcentaje de puentes con vigas dañadas con ND-4 fue 2% para puentes con tapa y 5% para vigas con tope. El mayor daño que sufrieron las vigas de los puentes con tope se atribuye al impacto del ala inferior de las vigas con los topes laterales de HA durante el terremoto. Por otro lado, las vigas de los puentes con tapa tuvieron menos daño porque las tapas tenían resistencia pequeña y las fuerzas de impacto en estos casos fueron menores. Es importante mencionar que el 97% de los puentes considerados en este estudio no tenían diafragma. Por lo tanto, la fuerza transversal inducida en la viga debida al impacto con el tope lateral tuvo que ser resistida por una sola viga. Para el caso de puentes con diafragma, esta fuerza transversal se distribuye a las demás vigas.
El porcentaje de puentes que tuvo desplazamiento o rotación significativa en la estructura fue de 22% y 13% para puentes con tapa y tope de HA, respectivamente. El desplazamiento o rotación se consideró significativo cuando el puente requirió
ND-1 ND-2
ND-3 ND-4
ND-1
ND-2
ND-3
ND-4
alineamiento. MOP definió como 50 mm límite de desplazamiento de la superestructura para que el puente tuviera que ser reparado. Sin embargo, la decisión final de alinear cada puente se analizó para cada puente.
Figura 5. Porcentaje pasos inferiores con tapa o tope lateral de HA según de daño en las vigas de hormigón pretensado.
Angulo de esviaje
Los pasos inferiores de la base de datos fueron clasificados según el ángulo de esviaje en tres categorías: esviaje despreciable (<5°), esviaje pequeño (entre 5° y 25°) y esviaje grande (>25°). El porcentaje de puentes que evidenció desplazamiento o rotación significativa de la superestructura fue de 26% para puentes con esviaje (pequeño o grande) y 13%
para puentes sin esviaje. Se puede concluir el que esviaje se correlacionó con el desplazamiento o rotación de la superestructura. El número de puentes con esviaje despreciable, pequeño y grande es 70, 9, y 9 respectivamente.
El porcentaje de puentes con distinto nivel de daño general, según el ángulo de esviaje se muestra en la Figura 6. De esta figura se observa que 22% (2 de 9) y 11% (1 de 9) de los puentes con ángulo de esviaje pequeño y grande colapsaron, respectivamente. Finalmente, la Figura 6 muestra que el nivel de daño en los puentes con esviaje grande tuvo mayor dispersión que para los otros puentes. En los puentes con esviaje mayor a 25°, 22%, 33%, 33% y 11% tuvo daño ND-1, ND- 2, ND-3 y ND-4, respectivamente.
Figure 6. Porcentaje de pasos inferiores con distinto nivel de daño global según el ángulo de esviaje.
Zona sísmica
La amenaza sísmica con que se diseña cada puente depende de la zona sísmica en la cual se ubica el puente. El Manual de
Carreteras (MOP, 2002) define tres zonas sísmicas que son idénticas a las que define la NCh433 (INN, 2006). La zona sísmica 3 es la zona más cercana a la costa y en ella se considera una aceleración máxima del suelo de 0.4g. En la zona sísmica 2 se considera una aceleración máxima del suelo de 0.3g. Adicionalmente, la definición de la amenaza sísmica es discreta porque toma valores de 0.4g, 0.3g o 0.2g.
El número de pasos inferiores de la base de datos ubicados en las zonas sísmicas 3 y 2 son 24 y 64, respectivamente. El porcentaje de puentes con distinto nivel de daño, según la zona sísmica, se muestra en la Figura 7. Esta figura muestra que el porcentaje de puentes sin daño (ND-1) es similar para puentes ubicados en ambas zonas sísmicas. Los 3 puentes que colapsaron (ND-4) estaban ubicados en zona sísmica 2, y representan un 5% de los puentes en esta zona. Es importante mencionar que estos puentes que colapsaron, fueron diseñados con una fuerza 33% menor que la de los puentes ubicados en zona sísmica 3.
Figura 7. Porcentaje de pasos inferiores con distinto nivel de daño global según la zona sísmica.
La ubicación de los 88 pasos inferiores de este estudio, su nivel de daño, indicado con diferentes colores, y la definición de las zonas sísmicas se muestran en la Figura 8. La figura muestra que los pasos inferiores más dañados, incluyendo los 3 puentes colapsados, están ubicados al sur de Santiago entre los km 40 y 80. El daño localizado de estos puentes se podría explicar por efectos de sitio. Las zonas sísmicas dependen de la Municipalidad (INN, 1996); en consecuencia, dos puentes adyacentes pero ubicados en distintas municipalidades podrían ser diseñados con fuerzas sísmicas bien diferentes.
Adicionalmente, los límites de las municipalidades no tienen relación con la distancia a la fosa marina o con la distancia a las fuentes sismogénicas. Este hecho revela la necesidad de generar un nuevo mapa de amenaza sísmica continuo para chile. En efecto, los puentes ubicados cerca de la ciudad de Talca en zona 3 (Figura 8) tienen una distancia similar a la zona de ruptura del terremoto (Boroschek et al., 2012) que los puentes cercanos ubicados en zona 2, sin embargo los puentes ubicados en zona 3 se diseñaron con una resistencia lateral 33%
mayor que la de los puentes adyacentes ubicados en zona sísmica 2.
Figure 8. Ubicación de los 88 pasos inferiores y nivel de daño. La zona sísmica 3 se muestra en gris oscuro y la zona sísmica 2 en gris claro.
Pasarelas peatonales
Las pasarelas peatonales consideradas en la base de datos se clasifican en siete configuraciones estructurales diferentes (PP1 a PP7) de acuerdo con las secciones de vigas y columnas, los materiales, tipo de conexiones viga-columna, y elementos de apoyo. A continuación se describe cada configuración estructural y seis de ellas se muestran en la Figura 9.
Configuraciones estructurales
Las pasarelas tipo PP1 tienen pilares cuadrados de HA, con una viga cabezal y sin topes laterales. La superestructura se compone de dos vigas de acero, con losa de HA, simplemente apoyadas sobre apoyos elastoméricos y apernadas a la viga cabezal con dos pernos que conectan un ángulo de acero situado entre las dos vigas de acero de la superestructura. Las pasarelas tipo PP2 tienen pilares cuadrados de HA con viga cabezal y topes laterales de hormigón. En algunos casos, la viga principal y la rampa de acceso están apoyadas en la misma columna, mientras que en otros casos se apoyan en columnas independientes, como se muestra en la Figura 9. La superestructura es una viga cajón de hormigón pretensado, apoyada en la viga cabezal a través de apoyos elastoméricos; se usan barras verticales (barras sísmicas) para evitar su levantamiento. Las pasarelas tipo PP3 tienen pilares cuadrados de HA, sin viga cabezal ni topes laterales. La superestructura se compone de una viga cajón de hormigón pretensado conectada a las columnas con barras verticales. La estructuración tipo PP4 tiene pilares cuadrados de HA, y los pilares externos de los tramos principales tienen una gran mesa de apoyo cuadrada,
sobre la que descansan las vigas principales y la rampa de acceso. Esta mesa de apoyo ancha impide que las vigas se desmonten de la subestructura. La columna central del tamo principal tiene topes laterales de hormigón similares a PP2. La superestructura se compone de una viga cajón de hormigón pretensado simplemente apoyada sobre apoyos elastoméricos.
Las pasarelas tipo PP5 tienen pilares circulares de HA y vigas rectangulares de hormigón pretensado. La conexión entre las columnas y las vigas es monolítica. Las pasarelas tipo PP6 cuentan con columnas rectangulares HA, sin viga cabezal ni topes laterales en las columnas exteriores. La columna central tiene dos planchas de acero laterales que actúan como topes, y que limitan el desplazamiento transversal relativo entre la superestructura y la columna. La superestructura es una viga rectangular de hormigón pretensado. El tipo PP7 corresponde a otras estructuras, poco comunes y muy diferentes de las descritas anteriormente. En general, estas pasarelas son más antiguas que las demás.
Figura 9. Fotografías de seis configuraciones estructurales de pasarelas peatonales.
Base de datos de pasarelas peatonales
La base de datos de las pasarelas peatonales se construyó con las 188 pasarelas para las que existía información de su condición después del terremoto (Toro et al. 2014). En los tramos de las autopistas considerados para este caso, el número total de pasarelas peatonales era 225. La base de datos incluye la descripción de cada pasarela; el nivel del daño general de la pasarela; el nivel de daño de los elementos específicos de la estructura, tales como columnas y topes, y las características de los apoyos elastoméricos, las barras verticales, y los topes laterales.
Análisis del daño observado
Al igual que para los pasos inferiores, se definieron cuatro niveles de daño (ND) y se asignaron a cada pasarela. ND-1 representa una pasarela sin daño. ND-2 representa una pasarela que sufrió daños menores y que no requirió reparación o requirió una reparación menor. ND-3 representa una pasarela con daño grave que requirió reparación mayor.
Finalmente, ND-4 es el caso del colapso de la viga principal o de las rampas de acceso. La Figura 10 muestra ejemplos de pasarelas con distinto nivel de daño.
DL-1 DL-2 DL-3 DL-4
100 km Santiago
Talca
Chillán
ND-1 ND-2 ND-3 ND-4
Figura 10. Ejemplo de los niveles de daño en pasarelas peatonales: ND- 2 (a) grieta en el tope lateral, (b) daño en una junta; ND-3 (c) daño en un estribo, (d) rotura de un tope lateral; ND-4, caída (e) de una viga principal y (f) una rampa.
La distribución de los niveles de daño de las 188 pasarelas se resume en la Tabla 1. Del total de pasarelas, 19 sufrieron colapso (ND-4), lo que representa el 10% del total, y 34 necesitaron reparación seria o reconstrucción (ND-3 y ND-4), lo que representa un 18% de las pasarelas.
Tabla 1. Número de pasarelas según el nivel de daño.
Nivel de daño ND-1 ND-2 ND-3 ND-4
Total 81 (43%) 73 (39%) 15 (8%) 19 (10%)
La distribución del nivel de daño para cada configuración estructural se muestra en la Figura 11. La configuración estructural PP1 es la que tuvo el peor comportamiento, con 10 puentes colapsados de un total de 21. El ancho de la mesa de apoyo de estos puentes era muy corto, y las fuerzas horizontales sobre la superestructura fueron resistidas sólo por dos pernos de anclaje de diámetro 16 mm. La falla de estos pernos produjo el colapso de las vigas principales.
Si bien la estructuración PP2 se utilizó con más frecuencia (en 85 pasarelas) que las otras configuraciones, sólo 3 pasarelas colapsaron lo que equivale al 4% de ellas. La configuración PP2 cuenta con topes transversales de HA, lo que limitó el desplazamiento transversal de la superestructura e impidió su colapso. Los únicos elementos que pueden haber restringido el desplazamiento de la superestructura en la dirección
longitudinal eran dos barras verticales de acero, que fracasaron en las estructuras colapsadas.
Cuatro de las 14 pasarelas con configuración estructural PP3 colapsaron, lo que representa el 24% de estas estructuras. La única restricción para el desplazamiento lateral de las vigas de esas pasarelas fue proporcionada por barras sísmicas de 16 mm de diámetro. De las 24 pasarelas con configuración estructural PP4 sólo una colapsó. Estas pasarelas tienen topes laterales de hormigón y una mesa de apoyo muy grande, lo que impidió el desmonte de las vigas. Las pasarelas con configuración estructural PP5 evidenciaron el mejor desempeño, sin colapsos y tuvieron daños mínimos. Esto se atribuye a la conexión monolítica entre las vigas y los pilares. De las 5 pasarelas con configuración estructural PP6, una de ellas colapsó. Su caída se produjo debido a la falla de un tope lateral de hormigón armado en la rampa de acceso. Finalmente, ninguna de las 15 pasarelas peatonales con configuración estructural PP7 colapsó, y sólo una tuvo daño ND-3.
Figura 11. Número de pasarelas con distinto nivel de daño según el tipo de estructuración.
La mayoría de las pasarelas peatonales de la base de datos que tenían topes laterales de HA tuvieron un buen desempeño. La mayoría de las fallas fueron causadas por desplazamientos de la superestructura en la dirección longitudinal, donde los únicos elementos de restricción al desplazamiento eran barras de acero verticales. Las pasarelas que sólo tenían estas barras parar restringir los desplazamientos presentaron más colapsos que las pasarelas con conexiones monolíticas, con topes laterales de hormigón o con mesas de apoyos anchas (estructuración PP4).
Desplazamientos de las vigas y rampas de acceso La Tabla 2 muestra el número de pasarelas peatonales que tuvo un desplazamiento importante de vigas o rampas, para cada tipo de configuración estructural. Al igual que en los pasos inferiores, las pasarelas con desplazamientos grandes son aquellas que requirieron realineamiento de la superestructura.
La tabla muestra que la configuración estructural PP5 tuvo el menor porcentaje de puentes con un desplazamiento lateral importante. En cuanto a la configuración estructural PP1, 12 pasarelas tuvieron desplazamiento importante, y 10 colapsaron; esto demuestra la alta vulnerabilidad de esta
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
configuración estructural. Por otro lado, un gran número de pasarelas con configuración estructural PP3 y PP4 tuvo un desplazamiento importante (aproximadamente 60%), pero sólo el 12% de estas pasarealas colapsó.
Tabla 2. Número de pasarelas peatonales con grandes desplazamientos o colapso de la superestructura (vigas o rampas), según configuración estructural.
Configuración
estructural Total Número de pasarelas con gran desplazamiento
Colapso de un vano
PP1 21 12 (57%) 10 (48%)
PP2 85 27 (32%) 3 (4%)
PP3 17 14 (82%) 4 (24%)
PP4 24 12 (50%) 1 (4%)
PP5 21 1 (5%) 0 (0%)
PP6 5 4 (80%) 1 (20%)
PP7 15 4 (27%) 0 (0%)
Total 188 74 (39%) 19 (10%)
Zona sísmica y condiciones del suelo
Las zonas sísmicas para diseñar pasarelas son las mismas que para puentes, y fueron descritas anteriormente. El coeficiente sísmico utilizado para diseñar los puentes también depende del tipo de suelo. El Manual de Carreteras (MOP 2002) clasifica el suelo desde suelo tipo I (roca) a suelo tipo IV (suelo blando).
La ubicación de las pasarelas, su nivel de daño, indicado con diferentes colores, y la zona sísmica de acuerdo con el código sísmico, se muestran en la Figura 12. Un total de 125 pasarelas estaban situadas en la zona sísmica 2 (en gris claro), 63 en la zona sísmica 3 (en gris oscuro) y ninguna en la zona sísmica 1.
La mayoría de los colapsos ocurrieron al norte de Santiago, donde la configuración estructural PP1 es la más frecuente. Las pasarelas ubicadas en la zona sísmica 3 se desempeñaron peor que aquellas ubicadas en la zona sísmica 2: el 14% de las estructuras en zona sísmica 3 colapsaron. Este resultado no se relaciona con la mayor demanda sísmica ya que la mayoría de las pasarelas colapsadas al norte de Santiago se encuentran muy lejos del epicentro. Por lo tanto, la concentración de daños en estos puentes está relacionada con la configuración estructural o con efectos de sitio.
Si sólo se consideran las pasarelas ubicadas al sur de Santiago (esto elimina todas las estructuras PP1), no hay colapsos en la zona sísmica 3, mientras que cuatro pasarelas colapsaron en la zona sísmica 2. Estas últimas pasarelas fueron diseñadas con una fuerza lateral más pequeña que las que están situadas en la zona 3, por lo que el colapso de estas pasarelas puede ser atribuida a las menores fuerzas de diseño sísmico.
A continuación se analizan las condiciones del suelo en tres zondas donde se concentra el daño, para identificar si existe
relación con efectos de sitio. Estas zonas son la Ruta 5 norte cerca de Llay Llay, 85 km al norte de Santiago; las salidas al norte de Santiago, tanto en la Ruta 5 como en la Autopista Los Libertadores; y la zona del inicio de la ruta de acceso sur a Santiago, 40 km al sur de la ciudad. El detalle de las zonas analizadas se puede ver en Toro et al. (2014).
Figura 12. Ubicación de las 188 pasarelas peatonales y de sus niveles de daño. La zona sísmica 3 se muestra en gris oscuro y la zona sísmica 2 en gris claro.
En la zona de Llay Llay, tres pasarelas peatonales colapsaron, y se observó daño sólo en un paso inferior (Toro et al., 2014). El suelo en esta área ha sido clasificado como tipo III (Riddell et al., 1992). Como los puentes en esta zona no estaban tan dañados como las pasarelas peatonales, los daños en pasarelas se atribuyen a las configuraciones estructurales y no a efectos de sitio.
En la zona ubicada al norte de Santiago, la mayoría de las pasarelas peatonales ubicadas en la ruta 5 norte tuvieron daños graves o colapso (6 de 8). En la carretera Los Libertadores, 3 de 5 pasarelas peatonales colapsaron, y una tuvo daños graves.
Por otro lado, los pasos inferiores y superiores ubicados en esta zona solo tuvieron daños leves. Riddell et al. (1992) clasificó el suelo en esta área como tipo III, que es un terreno blando.
Dado que los pasos inferiores de esta zona no sufrieron tanto daño como las pasarelas peatonales, los daños en estas últimos no pueden atribuirse a los efectos de sitio, si no que a la configuración estructural, que es principalmente tipo PP1.
Epicentro
ND-1 ND-2 ND-3 ND-4
En el Acceso Sur a Santiago dos pasarelas peatonales y un paso inferior colapsaron, mientras que otros dos pasos inferiores tuvieron daños graves. Con el fin de caracterizar las condiciones del suelo, se midieron las velocidades de ondas de corte a una profundidad de 30 metros (VS30) en dos lugares: en el acceso sur de Santiago, y en Paine, ubicado 6 km al norte de esta zona, donde no hubo puentes dañados. Los valores medidos de VS30
son 428 m/s en Paine y 253 m/s en el Acceso Sur a Santiago;
este último representa un suelo muy blando. Las pasarelas peatones existentes en ambos lugares tenían la misma configuración estructural. Dado que las pasarelas peatones ubicadas en el suelo más blando sufrieron más daño que aquellas en suelo más rígido (cerca de Paine), se concluye que los requisitos de diseño para pasarelas peatonales ubicadas en suelos blandos necesitan ser aumentados.
Conclusiones
En este artículo se resume un análisis estadístico de los daños producidos en 88 pasos inferiores y 188 puentes peatonales ubicados a lo largo de las principales rutas de Chile. El objetivo es identificar las variables críticas que explican el daño producido durante el terremoto de 2010. Las principales conclusiones de este estudio son:
Las variables críticas que explican el daño en pasos inferiores son la presencia o ausencia de topes laterales de HA y el esviaje de los puentes. Los pasos inferiores provistos de topes laterales de HA no colapsaron. El porcentaje de puentes con un desplazamiento considerable de la superestructura fue de 26% y 13% para puentes esviados y rectos, respectivamente.
La principal variable que determinó la respuesta sísmica de pasarelas peatonales es la configuración estructural. La estructuración con vigas de acero simplemente apoyadas, sin topes laterales y con barras sísmicas tuvo el peor desempeño, mientras que la estructuración con conexión monolítica entre viga y columna tuvo mínimo daño.
Dado que se observó el colapso de pasos inferiores y pasarelas peatonales en los mismos sitios con suelos blandos, se recomienda llevar a cabo más estudios para identificar los posibles efectos de sitio y actualizar la clasificación del suelo de la norma sísmica actual.
Del análisis de los pasos inferiores y de las pasarelas se concluye que existe una necesidad urgente de desarrollar un nuevo mapa continuo de amenaza sísmica para Chile.
Agradecimientos
Esta investigación ha sido financiada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONICYT) a través de los programas Fondef # D10i1027, Fondecyt #11121581 y Fondap #15110017.
Se agradece especialmente al Ministerio de Obras Públicas de Chile por el apoyo entregado en el desarrollo de este trabajo.
Referencias
American Association of State and Highway Transportation Officials, AASHTO (1996). Standard Specifications for Highway Bridges, 16th edition”, American Association of State and Highway Transportation Officials, Washington, DC.
Boroschek R.L., Contreras V., Kwak D.Y. and Stewart J.P., (2012). Strong ground motion attributes of the 2010 Mw 8.8 Maule, Chile, Earthquake. Earthquake Spectra, Vol. 28, pp. S519-S538.
Buckle I., Hube M., Chen G., Yen W., Arias J. Structural performance of bridges in the offshore Maule earthquake of February 27, 2010.
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