analisis estructural puentes

Comunidad para la Ingeniería Civil Ingeniería Sísmica Basada en Desempeño Análisis Estructural – Primera Parte

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2.3.4.2. Método Refinado

Los momentos negativos sobre los apoyos, como se estableció en el análisis elástico lineal, puede

ser disminuido por un proceso de redistribución considerando las características momento-rotación de la

sección transversal o por un método reconocido de mecanismos. La relación momento-rotación deberá ser

establecido usando las características del material, como se especifica aquí, y/o verificada por pruebas

físicas.

2.3.4.3. Procedimiento Aproximado

En lugar de los análisis descritos en el Artículo 4.6.4.2 de la AASHTO LRFD, los procedimientos de

redistribución simplificados para las vigas de concreto y acero, como se especifican en los Artículos 5

“Estructuras de Concreto” y 6 “Estructuras de Acero” de la AASHTO LRFD respectivamente, pueden ser

usados.

2.3.5. Estabilidad

En la investigación de la estabilidad deberá utilizarse la teoría de grandes deflexiones.

2.3.6. Análisis por Gradiente de Temperatura

Cuando la determinación de los efectos de la fuerza debido al gradiente de temperatura vertical

sea requerida, el análisis deberá considerar la extensión axial, la deformación por flexión, y los esfuerzos

internos.

Los gradientes deberán ser como se especifica en el Artículo 3.12.3 de la AASHTO LRFD, 1.12.3 de

esta publicación.

2.4. Análisis Dinámico

2.4.1. Requerimientos Básicos del Análisis Estructural

2.4.1.1. General

Para el análisis del comportamiento dinámico en los puentes, la rigidez, la masa, y las

características del amortiguamiento de los componentes estructurales deberán ser modeladas.

El mínimo número de grados de libertad incluidos en el análisis deberán estar basados sobre el

número de frecuencias naturales a ser obtenidas en la fiabilidad de las formas de modo asumidas. El

modelo deberá ser compatible con la precisión del método de solución. Los modelos dinámicos deberán


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incluir aspectos relevantes de la estructura y la excitación. Los aspectos relevantes de la estructura pueden

incluir:

La distribución de la masa.

La distribución de la rigidez.

Las características del amortiguamiento

Los aspectos relevantes de excitación pueden incluir:

La frecuencia de la función forzada.

Duración de la aplicación.

Dirección de la aplicación.

2.4.1.2. Distribución de Masas

El modelamiento de la masa deberá hacerse con la consideración del grado de discretización en

el modelo y los movimientos anticipados.

2.4.1.3. Rigidez

El puente deberá ser modelado para ser consistente con los grados de libertad elegidos para

representar los modos y frecuencias de vibración. La rigidez de los elementos del modelo deberá ser

definida para ser consistente con el puente siendo modelado.

2.4.1.4. Amortiguamiento

El amortiguamiento viscoso equivalente puede ser usado para representar la energía disipada.

2.4.1.5. Frecuencias Naturales

Para el propósito del Artículo 4.7.2 de la AASHTO LRFD, sección 2.4.2 de esta publicación, y a

menos que lo contrario sea especificado por el propietario, los modos de vibración elásticos no

amortiguados y las frecuencias de vibración deberán ser usados. Para el propósito de los Artículos 4.7.4 y

4.7.5 de la AASHTO LRFD, secciones 2.4.4 y 2.4.5 de esta publicación, todos los modos amortiguados y

frecuencias relevantes deberán ser considerados.

2.4.2. Respuestas Dinámicas Elásticas

2.4.2.1. Vibración Inducida del Vehículo

Cuando un análisis por interacción dinámica entre un puente y la carga viva es requerido, el

propietario deberá especificar y/o aprobar las superficies de rugosidad, velocidad y características


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dinámicas de los vehículos a ser empleadas por el análisis. El impacto deberá ser derivado como una

relación del efecto de la fuerza dinámica extrema al efecto de la fuerza estática correspondiente.

En ningún caso la carga dinámica permitida deberá ser usada en el diseño será menor al 50 por

ciento de la carga dinámica permitida especificada en la Tabla 3.6.2.1-1 de la AASHTO LRFD, Tabla 1-11 de

esta publicación, excepto que ninguna reducción deberá ser permitida para las juntas de los tableros.

2.4.2.2. Vibración Inducida del Viento

2.4.2.2.1. Velocidades del Viento

Para estructuras críticas o esenciales, las cuales se puede esperar que sean sensibles a los efectos

de los vientos, la ubicación y la magnitud de los valores de la presión y succión extrema deberán ser

establecidos por pruebas de simulación por túneles de viento.

2.4.2.2.2. Efectos Dinámicos

Las estructuras viento-sensibles deberán ser analizadas por efectos dinámicos, tales como las

sacudidas por turbulencia o rachas de viento, e interacción viento-estructura inestable, tales como el

galopeo y el flameo. Las estructuras esbeltas o flexibles torsionalmente ´deberán ser analizadas por pandeo

local, empuje excesivo, y divergencia.

2.4.2.2.3. Consideraciones de Diseño

Las deformaciones oscilatorias bajo el viento pueden conducir a niveles de esfuerzo excesivo,

fatiga estructural, y a inconvenientes de los usuarios o disconformidades que deberán ser evitadas. Los

tableros de los puentes, los cables atirantados, y las péndolas de los cables deberán ser protegidos contra

los vórtices excesivos y oscilaciones inducidas por el viento y la lluvia. Cuando sea práctico, el empleo de

amortiguadores deberá ser considerado para controlar las respuestas dinámicas excesivas. Cuando los

amortiguadores o modificadores de forma no sean prácticos, el sistema estructural deberá ser cambiado

para alcanzar tal control.

2.4.3. Respuestas Dinámicas Inelásticas

2.4.3.1. General

Durante un sismo mayor o colisión de una nave, la energía puede ser disipada por uno o más de

los siguientes mecanismos:

Deformaciones elásticas e inelásticas del objeto que puede colisionar con la estructura.

Deformaciones inelásticas de la estructura y sus accesorios.


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Desplazamiento permanente de las masas de la estructura y sus accesorios.

Deformación inelástica de disipadores de energía mecánica de especial propósito.

2.4.3.2. Rótulas Plásticas y Líneas de Fluencia

Para el propósito de análisis, la energía absorbida por la deformación inelástica en un

componente estructural puede asumirse como concentrada en rótulas plásticas y líneas de fluencia. La

ubicación de estas secciones puede ser establecida por aproximaciones sucesivas para obtener una solución

de límite inferior para la energía absorbida. Para estas secciones, curvas de histéresis momento-rotación

pueden ser determinadas usando modelos del material analíticos verificados.

2.4.4. Análisis por Cargas Sísmicas

2.4.4.1. General

Los requisitos de análisis mínimos para los efectos sísmicos deberán ser los especificados en la

Tabla 4.7.4.3.1-1 de la AASHTO LRFD, Tabla 2-6 de esta publicación.

Para los métodos de análisis modales, especificados en los Artículos 4.7.4.3.2 y 4.7.4.3.3,

secciones 2.4.4.3.2 y 2.4.4.3.3 de esta publicación, el diseño respuesta espectral deberá usarse (se verá en

el curso “Análisis Sísmico de Puentes”).

Los puentes en la Zona Sísmica 1 no necesitan ser analizados por cargas sísmicas, sin tener en

cuenta de su clasificación operacional y geometría. Sin embargo, los requisitos mínimos, especificados en

los Artículos 4.7.4.4 y 3.10.9 de la AASHTO, deberán aplicarse.

2.4.4.2. Puentes de un Solo Tramo

El análisis sísmico no es requerido para puentes de un solo tramo, sin tener en cuenta la zona

sísmica.

Las conexiones entre la superestructura del puente y los estribos deberán ser diseñados para los

requerimientos de la fuerza mínima que se especifican en el Artículo 3.10.9 de la AASHO LRFD.

Los requerimientos de longitud de apoyo mínimo deberán ser satisfechos en cada estribo como

se especifica en el Artículo 4.7.4.4, sección 2.3.4.4 de esta publicación.

2.4.4.3. Puentes Multitramos

2.4.4.3.1. Selección del Método


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Para estructuras multitramo, los requisitos de análisis mínimo deberán ser los que se establecen

en la Tabla 4.7.4.3.1-1 de la AASHTO LRFD, Tabla 2-16 de esta publicación, en el cual:

= No requiere análisis sísmico.

= Método elástico de la carga uniforme.

= Método elástico de un solo modo.

= Método elástico multimodal.

= Método tiempo-historia.

Tabla 2-16: Requerimientos de análisis mínimo para efectos sísmicos (Figura 4.7.4.3.1-1 AASHTO LRFD).

Excepto a como se especifica a continuación, los puentes deben satisfacer los requerimientos de

la Tabla 4.7.4.3.1-2 de la AASHTO LRFD, Tabla 2-17 de esta publicación, pueden tomarse como puentes

“regulares”. Los puentes que no satisfacen los requerimientos de la Tabla 4.7.4.3.1-2 de la AASHTO LRFD,

Tabla 2-17 de esta publicación, deberán tomarse como puentes “irregulares”.

Tabla 2-17: Requerimientos para puentes regulares (Figura 4.7.4.3.1-2 AASHTO LRFD).

Los puentes curvados compuestos de múltiples tramos simples deberán considerarse como

“irregulares” si el ángulo subtendido en el plano es mayor que 20 grados. Tales puentes deberán ser

analizados ya sea por el método elástico multimodal o el método tiempo-historia.

Un puente curvado de vigas principales continuas puede ser analizado como si fueran rectos,

provisto de todos los siguientes requerimientos satisfechos:

El puente es “regular” como se define en la Tabla 4.7.4.3.1-1 de la AASHTO LRFD, Tabla 2-6 de

esta publicación, excepto que para un puente de dos tramos la relación de la longitud del

tramo múltiple de tramo a tramo no excederá de 2.

El ángulo subtendido en el plano no es mayor que 90 grados.

Las longitudes de los tramos del puente recto equivalente son iguales a las longitudes de arco

del puente curvado.


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Si estos requisitos no son satisfechos, entonces los puentes curvados de vigas principales

continuas deben ser analizados usando la geometría curvada actual.

2.4.4.3.2. Métodos de Análisis de un Solo Modo

General:

Cualquiera de los dos métodos de un solo modo de análisis especificados aquí pueden ser usados

cuando sean apropiados.

Método Espectral de un Solo Modo:

El método de análisis espectral de un solo modo deberá basarse en el modo fundamental de

vibración ya sea en la dirección longitudinal o transversal. Para puentes regulares, los modos

fundamentales de vibración en el plano horizontal coinciden con los ejes longitudinal y transversal de la

estructura del puente. Esta forma modal puede encontrarse aplicando una carga horizontal uniforme a la

estructura y calculando la forma deformada correspondiente. El periodo natural puede ser calculado

equiparando las energías máxima potencial y la cinemática con el modo de forma fundamental. La amplitud

de la forma desplazada puede ser encontrada del coeficiente de respuesta sísmica elástico, ,

especificado en el Artículo 3.10.4.2 de la AASHTO LRFD, que se desarrollará en el curso “Análisis Sísmico de

Puentes”, y el desplazamiento espectral correspondiente. Esta amplitud deberá usarse para determinar los

efectos de la fuerza.

Método de la Carga Uniforme:

El método de la carga uniforme deberá basarse en el modo fundamental de vibración en

cualquier dirección, longitudinal o transversal, de la estructura base. El periodo de este modo de vibración

deberá ser tomado aquel de un oscilador simple equivalente masa-resorte. La rigidez de este resorte

equivalente deberá calcularse usando el máximo desplazamiento que ocurre cuando una carga lateral

uniforme arbitraria es aplicada al puente. El coeficiente de respuesta sísmica elástico, , especificado en

el Artículo 3.10.4.2 de la AASHTO LRFD, deberá usarse para calcular la carga sísmica uniforme equivalente

del cual los efectos de la fuerza sísmica son encontrados.

2.4.4.3.3. Método Espectral Multimodal

El método de análisis espectral multimodal deberá ser usado en puentes en el cual ocurre

acoplamiento en más de una de las tres direcciones coordenadas dentro de cada modo de vibración. Como

mínimo, un análisis dinámico lineal usando un modelo tridimensional deberá ser usado para representar la

estructura.

El número de modos incluidos en el análisis serán al menos tres veces el número de tramos en el

modelo. El diseño espectral de respuesta sísmica deberá usarse para cada modo.


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Las fuerzas y desplazamientos en los miembros pueden ser estimados por combinación de las

cantidades de respuesta respectivas (momento, fuerza, desplazamiento, o desplazamiento relativo) de los

modos individuales por el método de la Combinación Cuadrático Completa (Complete Quadratic

Combination, CQC).

2.4.4.3.4. Método Tiempo-Historia

General:

Cualquier método de análisis tiempo-historia paso a paso usado por cualquier análisis, elástico o

inelástico, deberá satisfacer los requisitos del Artículo 4.7 de la AASHTO LRFD, sección 2.4 de esta

publicación.

La sensibilidad de la solución numérica al tamaño del paso de tiempo usado por el análisis deberá

ser determinado. Un estudio de sensibilidad deberá también ser llevado a cabo para investigar los efectos

de la variación en las propiedades histeréticas asumidas del material.

Las historias de tiempo de las aceleraciones ingresadas usadas para describir las cargas de sismo

deberán ser seleccionadas en concordancia con el Artículo 4.7.4.3.4b, subsección a continuación de esta

publicación.

Aceleraciones Tiempo Historia:

El desarrollo de las historias de tiempo deberá tener características que son representativas del

entorno sísmico del sitio y las condiciones locales del sitio.

Las historias del tiempo compatibles con el espectro de respuesta deberán usarse como

desarrolladas de movimientos registrados representativos. Las técnicas analíticas usadas para igualar el

espectro deberá demostrar ser capaz de alcanzar series de tiempo realistas sismológicamente que son

similares a las series de tiempo de las historias de tiempo iniciales seleccionadas igualar espectros.

Cuando son usadas las historias de tiempo registradas, deberán ser escaladas a los niveles

aproximados del espectro de respuesta de diseño en el rango de periodo de significancia. Cada historia de

tiempo deberá modificarse para que sea compatible con el espectro de respuesta usando el procedimiento

dominio de tiempo.

Al menos tres historias de tiempo compatibles de respuesta espectral deberán usarse para cada

componente de movimiento en representar el sismo de diseño (los movimientos del suelo tienen siete por

ciento de probabilidad de exceder en 75 años). Los tres componentes ortogonales (x, y, y z) del movimiento

de diseño deberá ser ingresado simultáneamente cuando se conduce un análisis tiempo-historia no lineal.

Las acciones de diseño deberán tomarse como la respuesta máxima calculada para los tres movimientos del

suelo en cada dirección principal.


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Si un mínimo de siete historias de tiempo son usadas para cada componente del movimiento, las

acciones de diseño pueden ser tomadas como la respuesta media calculada para cada dirección principal.

Para los sitios campo-cercano (D ˂ 6 millas), los componentes horizontales registrados del

movimiento que son seleccionados deben representar una condición campo-cercano y deberán ser

transformados en componentes principales antes de hacerlos respuesta espectral compatibles. El

componente principal mayor deberá entonces usarse para representar el movimiento en la dirección

normal de la falla y el componente principal menor deberá ser usado para representar el movimiento en la

dirección paralela a la falla.

2.4.4.4. Requerimientos para la Longitud de Apoyo Mínimo

Las longitudes de apoyo en los asientos de apoyo de expansión sin restringidores, STUs, o

amortiguadores deberán ya sea acomodar el mayor de los desplazamientos máximos calculados en

concordancia con el Artículo 4.7.4.3, sección 2.4.4.3 de esta publicación, excepto para los puentes en la

Zona 1, o un porcentaje de la longitud empírica de apoyo, N, especificado en la ecuación 4.7.4.4-1. De lo

contrario, los restringidores que cumplen con el Artículo 3.10.9.5 de la AASHTO LRFD, deberán ser

proporcionados. Los asientos de apoyo restringidos para el movimiento longitudinal deberán ser diseñados

en cumplimiento con el Artículo 3.10.9. Los porcentajes de N, aplicados a cada zona sísmica, deberán ser

como se especifica en la Tabla 4.7.4.4-1, Tabla 2-18 de esta publicación.

La longitud empírica de apoyo deberá tomarse como:

( )( ) (Ec. 4.7.4.4-1 AASHTO LRFD)

donde:

= Longitud de soporte mínimo medido normal a la línea o eje central del apoyo

(pulgadas).

= Longitud del tablero del puente a la junta de expansión adyacente, o al extremo

del tablero del puente; para rótulas dentro de un tramo, L deberá ser la suma de

las distancias a cualquier lado de la rótula; para puentes de un solo tramo, L es

igual a la longitud del tablero del puente (pies).

= Para estribos, la altura promedio de las columnas que soportan el tablero del

puente desde el estribo a la junta de expansión siguiente (pies). Para columnas

y/o pilares, columna, o altura del pilar (pies). Para rótulas dentro de un tramo, la

altura promedio de las dos columnas adyacentes o pilares (pies). 0.0 para puentes

de un solo tramo (pies).

= Esviación del apoyo medido desde la línea normal al tramo (grados).


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Tabla 2-18: Porcentaje de N por coeficiente de zona y aceleración As, especificada en la ecuación 3.10.4.2-2 de la

AASHTO LRFD (Figura 4.7.4.4-1 AASHTO LRFD).

2.4.4.5. Requerimientos P-Δ

El desplazamiento de cualquier columna o pilar en la dirección longitudinal o transversal deberá

satisfacer:

(Ec. 4.7.4.5-1 AASHTO LRFD)

en el cual:


Si , entonces:

(

)


Si , entonces:


donde:

= Desplazamiento del punto de contraflexión en la columna o pilar relativo al punto

de fijación para la cimentación (pies).

= Desplazamiento calculado desde el análisis sísmico elástico (pulgadas).

= Periodo del modo fundamental de vibración (segundos).

= Periodo en la esquina especificado en el Artículo 3.10.4.2 de la AASHTO LRFD

(pulgadas).

= Factor R especificado en el Artículo 3.10.7 de la AASHTO LRFD.

= Carga axial sobre la columna o pilar (kip, kilolobras).

= Factor de resistencia a la flexión para la columna especificada en el Artículo

5.10.11.4.1b de la AASHTO LRFD.

= Resistencia a la flexión nominal de la columna o pilar calculado en la carga axial

sobre la columna o pilar (kilolibra-pie).

2.4.5. Análisis para Cargas de Colisión


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Cuando sea permitido por las disposiciones de la Sección 3 de la AASHTO LRFD “Cargas y factores

de Carga”, Capítulo 1 de esta publicación, el análisis dinámico para colisión de naves puede ser remplazado

por un análisis elástico estático equivalente. Cuando un análisis inelástico es especificado, el efecto de las

otras cargas que pueden también estar presentes deberá ser considerado.

2.4.6. Análisis de Efectos de Explosión

Como un mínimo, los componentes del puente analizados por fuerzas de explosión deberán ser

analizados por los efectos dinámicos resultantes de la presión de explosión sobre la estructura. Los

resultados de un análisis estático equivalente no deberán ser usados para este propósito.

2.5. Análisis por Modelos Físicos

2.5.1. Pruebas de Modelos a Escala

Para establecer y/o verificar el comportamiento estructural, el propietario puede requerir la

prueba de modelos a escala de la estructura y/o partes de la misma. Las propiedades dimensionales y o de

material de la estructura, deberán modelarse de la forma más precisa como sea posible. Para los análisis

dinámicos, el escalamiento inercial, la carga/excitación, y las funciones de amortiguamiento deberán ser

aplicados como sean apropiados. Para pruebas del estado límite de resistencia, la carga muerta factorizada

deberá ser simulada. La instrumentación no deberá influenciar significativamente la respuesta del modelo.

2.5.2. Pruebas en el Puente

Los puentes existentes pueden ser instrumentalizados y los resultados obtenidos bajo varias

condiciones de tráfico y/o cargas ambientales o pruebas de carga con vehículos de propósito especial

usarlos para establecer los efectos de la fuerza y/o la capacidad de transportar carga del puente.

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