Download - diseño presa
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERU
CURSO: ACTUALIZACION PROFESIONAL DINAMICA DE SUELOS
DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADOJorge E. Alva Hurtado Miguel Infantes Quijano
CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICA Y MITIGACION DE DESASTRES
CONTENIDO INTRODUCCION COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS ANALISIS PSEUDO-ESTATICO METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO CASO ESTUDIADO CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
INTRODUCCIONSe ha alcanzado un notable progreso en el entendimiento del comportamiento de las presas de tierra y enrocado sometidas a la accin ssmica. - Mtodos analticos para calcular la respuesta dinmica de presas. - Ensayos dinmicos para determinar las propiedades del suelo bajo carga ssmica. - Mtodos de diseo para evaluar la estabilidad ssmica y el potencial de deformacin debido a sismos
COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismos moderados, con aceleraciones mximas de 0.2 g, sin daos. 2) Presas de material arcilloso con cimentacin arcillosa o rocosa pueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 y aceleraciones mximas de 0.35 a 0.8 g, sin daos aparentes. 3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secas y son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, con solamente pequeas deformaciones. 4) El diseo ssmico debe concentrarse en las presas que pueden sufrir daos por sismos severos o tienen cuerpos granulares saturados que pueden perder resistencia durante sismos, ocasionando movimientos. 5) El anlisis dinmico se emplea en presas de material granular, saturado y suelto a medianamente denso, sometidas a sismo fuerte o sobre cimentacin del mismo tipo. En estos casos se incrementa la presin de poros durante el sismo, generndose prdida de resistencia. El mtodo pseudo-esttico no es aplicable.
ANALISIS PSEUDO-ESTATICOSe utiliza el mtodo de equilibrio lmite para el anlisis de estabilidad de taludes, adicionando un coeficiente ssmico. El coeficiente lateral ssmico es semiemprico, que depende de la sismicidad del pas. Ruesta, Daz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficiente lateral ssmico para presas de tierra y enrocado en el Per. Los valores propuestos son consistentes con las presas de tierra y enrocado diseadas y construidas en el Per y el mundo. El anlisis de estabilidad pseudo-esttico sirve adems para determinar la aceleracin de fluencia ky que se emplea en el mtodo simplificado de deformaciones inducidas. En una presa de tierra el anlisis de estabilidad de taludes se realiza tpicamente para alcanzar los siguientes factores de seguridad. 1) Final de construccin + sismo 2) Infiltracin constante + sismo 3) Desembalse rpido + sismo FS > 1.0 FS > 1.25 FS > 1.0
-
-
DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERUPRESA TIPO
(Ruesta, Daz y Alva, 1988)
AO ESTADO UBICACION COTA ALTURA SECCION MAXIMA EMBALSE METODO COEF. Departemento Latitud CORONAC. MAX UTIL TALUD PROMEDIO DIMENSIONES (m) DE EST. ACTUAL (M) Longit. 106xM3 M.S.N.M. Aguas Aguas Corona Base Long. ANALISIS SISMICO Crest. Arriba Abajo Piura 4 40 830 108 48 1:2.25 1:2.25 8 240 600 Por deformacin * 1971 Construida
POECHOS
Tierra Zonificada Tierra Zonificada
TINAJONES GALLITO CIEGO PISHCAPACCHA RECRETA YURACMAYO
8 30 Lambayeque 6 40 79 25 7 14 Tierra Cajamarca Zonificada 79 15 Ancash Ancash 10 00 77 10 10 10 77 20 Lima Ayacucho 11 45 76 15 14 55 73 50 14 30 74 15 15 25 71 20 16 15 71 20
300 400 45 267 44 65 59 200 43
216 412 4157 4021 4318 3430 4065 4121 3671
37 102 50 48 53 40 49
1:3.0 1:2.35 1:1.8 1:3.5 1:2.5 1:2.5 1:1.5
1:2.5 1:2.25 1:1.75 1:3 1:2 1:2 1:1.5
9 15 8 12 8 10 9
250 2440 Fellenius 527 782 220 425 Bishop Krey Bishop
0.25 0.15 0.10 * * 0.12 *
1965 Construida 1975 Construida 1985 1982 Estudio concluido Estudio concluido
Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada
280 2900 300 215 173 400 160
Anlisis Dinmico Deform. 580 Inducidas Bishop Quad-4 Deform. 383 Inducidas 174 510 Fellenius 70Cua Deslizante
1984 Construida 1984 construccin 1982 construccin 1967 Construida 1972 Construida EstudioEn En
Tierra ANCASCOCHA Zonificada IRURO
Enrocado pantalla de Ayacucho concreto Tierra CONDOROMA Zonificada Arequipa AGUADA BLANCA CHIHUANE PASTO GRANDE JARUMA PAUCARANI Enrocado pantalla de Arequipa acero Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada Tierra Zonificada Puno
92 45
1:2.5 1:1.7
1:2.25 1:1.7
12 5
0.20 0.15
16 10 69 50 Moquegua 16 40 Tacna Tacna 70 35 17 22 69 57 17 40 69 50
237 145 9 5
3880 4525 4498 4543
25 10 22 24
1:2 1:2.3 1:2.5 1:2
1:1.75 1:2 1:2 1:2
8 3.5 8 8
120 44 109 100
177 180 130
BishopBishop Modificado
0.15 0.20 0.15 0.15
1986 concluido 1987 Construida 1980 Construida 1978 Construida
Fellenius
130 Fellenius
ECUADOR
COLOMBIA
III
III
BRASIL
II
OCEANO PACIFICO
III I
I
COEFICIENTE SISMICO PROPUESTO PARA PRESAS PEQUEAS Y MEDIANAS RUESTA, ET AL (1988) ZONA PRESAS DE TIERRA 0.15 - 0.25 0.10 - 0.15 0.05 - 0.10 PRESAS DE ENROCADO 0.10 - 0.20 0.05 - 0.10 0.05
I II III
CHILE
BOLIVIA
METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDASLa deformacin permanente se emplea como criterio de diseo. Mtodo racional simple, se aplica a presas constitudas por suelos arcillosos compactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollo de presin de poros, deformaciones pequeas, el material retiene su resistencia esttica. Se basa en el clculo de deformaciones permanentes, con la evaluacin de respuesta dinmica. La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida con comportamiento elstico hasta la falla y luego comportamiento perfectamente plstico. Propuesto originalmente por Newmark y modificado por Makdisi y Seed.
-
-
1) Determine la aceleracin de fluencia, la que produce FS = 1.0. 2) Determine las aceleraciones producidas por el sismo en la presa por respuesta dinmica. Se utiliza el mtodo de elementos finitos o vigas de corte. Tiempohistoria de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla. 3) Cuando la aceleracin inducida excede la calculada, ocurrirn movimientos; la magnitud se evala con doble integracin. El mtodo se ha aplicado a presas de altura de 30-60 mts., de suelo arcilloso compactado o material granular muy denso.
VARIACION DE LA RELACION DE ACELERACION MAXIMA CON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTE
0
0.2
Mtodo de Elementos Finitos Viga de Corte (rango de todos los datos)
0.4
y/h0.6
0.8
Promedio de todos los datos
1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
kmax / max
VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PERMANENTE NORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIA RESUMEN DE DATOS
VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PROMEDIO NORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIA
10
10
M~8 M~7 1 1
M~8 1/4
U/k max gTo - Segundos
7 1/2
U/k max gTo - Segundos
0.1
0.1
6 1/2
M~60.001
0.01
0.001
0.001
0.001 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.0001 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ky / kmax
ky / kmax
ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO
Evaluacin de Esfuerzo Estticos Anlisis de Respuesta Ssmica Procedimiento Recomendado
CASO ESTUDIADO Estudio de Factibilidad de la Presa Palo Redondo del Proyecto Chavimochic. Alternativa Presa de Enrocado con Pantalla de Concreto. Ubicada en Quebrada Palo Redondo, volumen total de 370 millones de metros cbicos, longitud de coronacin de 770 metros y altura de 95 metros. Coeficiente lateral ssmico = 0.20. Sismo de diseo con aceleracin mxima de 0.38g y magnitud de Richter de 7.5 para un perodo de retorno de 500 aos. Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974. Parmetros conservadores de resistencia cortante de los materiales y modelo hiperblico esfuerzo-deformacin. Parmetros dinmicos de la literatura.
SECCIN TRANSVERSAL DE LA PRESA PALO REDONDO
12.00 m 341.00 m.s.n.m. (NAMO)
345.00 m.s.n.m. (Nivel de Coronamiento)
Material de Transicin1.75 1 1 1.50 1
Pantalla de Concreto
1
Bloque Estabilizador
Material del Cuerpo de Presa250.00 m.s.n.m. (Terreno Natural)
Material de Cimentacin
20.00 m
ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TALUD AGUAS ARRIBA (EOC)PROGRAMA MTODO FACTOR DE SEGURIDAD Materiales Material de Cimentacin Material del Cuerpo de Presa Bloque Estabilizador Material de Transicin : SLOPE/W : BISHOP : 1.53 () 36 38 42 36 C(KPa) 0 0 0 0
360 340 320
(KN/m) 21 21 22 20
Cota (m.s.n.m.)
300 280 260 240 220 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Distancia (m)
ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TALUD AGUAS ABAJO (EOC)PROGRAMA MTODO FACTOR DE SEGURIDAD Materiales Material de Cimentacin Material del Cuerpo de Presa Bloque Estabilizador Material de Transicin : SLOPE/W : BISHOP : 1.44 () 36 38 42 36 C(KPa) 0 0 0 0
360 340 320
(KN/m) 21 21 22 20
Cota (m.s.n.m.)
300 280 260 240 220 200 0 50 100 150
Distancia (m)
200
250
300
350
400
450
ANLISIS DINMICO DE RESPUESTA SSMICA- MTODOS UNIDIMENSIONALES - MTODOS BIDIMENSIONALES - PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS
MDULO CORTANTE PARA GRAVAS(Seed et. al., 1984)
Mdulo cortante a def. cortante
1.0Mdulo cortante mximo
0.8 0.6 0.4 0.2 0 10-4 10-3 10-2 10-1 1Deformacin Cortante,
Rango de valores
(%)
AMORTIGUAMIENTO DE GRAVAS(Seed et al., 1984)24 Datos para gravas y suelos gravosos
Razn de Amortiguamiento (%)
20
Valores promedio para arenas Lmite superior e inferior para arenas
16
12
8
4
0
10
-4
10-3
10 -2
10-1
1
Deformacin Cortante,
(%)
ACELEROGRAMA DEL SISMO DE LIMA-PER 10/74 COMP. N 82 W
0.40
0.20
Aceleracin (g)
0.00
-0.20
max = 0.38 g-0.40 0 10 20 30 40 50 60
Tiempo (s)
ESPECTRO DE RESPUESTA NORMALIZADO DE ACELERACIONES HORIZONTALES SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W3.00 5% 10% 15% 20%
2.50
Acel. Espectral
Acel. Mxima
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00 0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
Periodo (seg)
ANLISIS BIDIMENSIONAL DE RESPUESTA SSMICA- Anlisis Esttico de Esfuerzo-Deformacin - Anlisis Dinmico
MALLA DE ELEMENTOS FINITOS PRESA PALO REDONDO
Y
X
PARMETROS HIPERBLICOS DE LOS MATERIALES DE LA PRESA PALO REDONDOParmetro Cimentacin Cuerpo de Presa 21.00 22.00 0.80 550 660 0.80 0.70 1000 0.30 0.00 38 0 Bloque Estabilizador 22.00 23.00 0.80 600 720 0.80 0.70 1200 0.30 0.00 42 0 Material de Transicin 20.00 21.00 0.80 500 600 0.70 0.70 800 0.30 0.00 36 0
(KN/m) sat (KN/m) Ko K Kur n Rf Kb m c (KN/m) () ()
21.00 22.00 0.50 500 600 0.70 0.70 800 0.30 0.00 36 0
ESFUERZOS CORTANTES ESTTICOSPROGRAMA : FEADAM84 xy (KPa)+3.10E+002 +2.50E+002 +2.00E+002 +1.00E+002 +0.00E+000 -5.00E+001 -1.50E+002 -2.00E+002 -3.00E+002 -3.30E+002
ESFUERZOS CORTANTES MXIMOSSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W PROGRAMA : QUAD4M xy max (KPa)+2.40E+002 +2.20E+002 +2.00E+002 +1.80E+002 +1.60E+002 +1.40E+002 +1.20E+002 +8.00E+001 +4.00E+001 +0.00E+000
ACELERACIONES MXIMASSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W PROGRAMA : QUAD4MAceler. Max. (g)+6.65E-001 +6.00E-001 +5.00E-001 +4.50E-001 +4.00E-001 +3.50E-001 +3.25E-001 +3.00E-001 +2.75E-001 +2.50E-001
GEOSOFT Programa de Anlisis Esttico y Dinmico de Estructuras GeotcnicasDesarrollado en el CISMID - FIC - UNIPrincipales implementaciones efectuadas en el Programa : Trabaja bajo entorno WINDOWS Modelo lineal equivalente para el anlisis lineal Criterios para la evaluacin de mdulos dinmicos Curvas de propiedades proporcionadas por el usuario Mtodos de Wilson Newmark de integracin en el tiempo Matriz de masa consistente y concentradas Amortiguamiento variable Bordes viscosos Generacin de archivo neutro
COMPARACIN DE ACELEROGRAMAS CALCULADOS EN LA CRESTA CON PROGRAMAS BIDIMENSIONALES SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 WAceleracin (g) 0.80 0.40 0.00 -0.40 -0.80 0.80 Aceleracin (g)
Acelerograma Calculado en la CrestaPROGRAMA : GEOSOFT
max = 0.60 g
Acelerograma Calculado en la CrestaPROGRAMA : QUAD4M
0.40 0.00 -0.40 -0.80 0.80
max = 0.66 g
Aceleracin (g)
Acelerograma en la Base RocosaSISMO : LIMA 10/74 N82W
0.40 0.00 -0.40 -0.80 0 5 10 Tiempo (s)
max = 0.38 g15 20 25
PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA CALCULAR LA MXIMA ACELERACIN EN LA CRESTA
(Makdisi y Seed, 1977)
RESULTADOS AL FINAL DE 5 ITERACIONESSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W max (g) 1 2 3 4 5 1.1039 1.1254 1.1277 1.1279 1.1280 To (seg) 0.7498 0.7386 0.7374 0.7373 0.7373 ave (%) 0.0648 0.0644 0.0644 0.0644 0.0644 G (T/m) 23780.20 24503.52 24581.96 24590.87 24591.89 Amortig. (%) 13.69 13.43 13.40 13.40 13.40
ITER.
DEFORMACIONES PERMANENTES
- MTODO DE NEWMARK (1965) - MTODO DE MAKDISI Y SEED (1977) - MTODO DE SARMA (1975)
MTODO DE NEWMARK- Determinar la aceleracin de fluencia - Clculo de las aceleraciones inducidas - Clculo de las deformaciones permanentes por integracin de las aceleraciones
APLICACIN DEL MTODO DE NEWMARK TALUD AGUAS ARRIBA SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 Wy H Aceleracin (g) Velocidad (cm/s) Desplazam. (cm) 0.80 0.40 0.00 -0.40 -0.80
Relacin y / H Acel. Mx. cresta Coef. Fluencia (Ky)
: 0.25 : 0.66 g : 0.29 g
60.0 45.0 30.0 15.0 0.0 45.0 36.0 27.0 18.0 9.0 0.0 0 10 20 30 Tiempo (s) 40 50 60
Coef. Mximo (Kmax) : 0.74 g Desplazamiento (cm) : 41.20 cm
DEFORMACIONES PERMANENTES MTODO DE NEWMARKSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W A. TALUD AGUAS ARRIBAKy (g) 0.29 0.27 0.25 0.23 Kmax (g) 0.7391 0.4820 0.3368 0.2576 Kmax max 1.1116 0.7249 0.4915 0.3874
max = 0.665 gKy Kmax 0.39 0.56 0.76 0.89 Desplaz. (cm) 41.1960 13.2533 1.4984 0.0936
y/H 0.25 0.50 0.75 1.00
DEFORMACIONES PERMANENTES MTODO DE NEWMARKSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W B. TALUD AGUAS ABAJOKy (g) 0.32 0.29 0.26 0.23 Kmax (g) 0.4653 0.2370 0.1707 0.1652 Kmax max 0.6998 0.3564 0.2567 0.2485
max = 0.665 gKy Kmax 0.69 1.22 1.52 1.39 Desplaz. (cm) 1.5323 0.0000 0.0000 0.0000
y/H 0.25 0.50 0.75 1.00
MTODO DE MAKDISI Y SEED- Determinar la aceleracin de fluencia - Clculo de la aceleracin mxima inducida (Kmax) - Clculo de las deformaciones permanentes
DEFORMACIONES PERMANENTES MTODO DE MAKDISI Y SEEDSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W A. TALUD AGUAS ARRIBA max = 1.128 g Msy/H 0.25 0.50 0.75 1.00 Ky (g) 0.29 0.27 0.25 0.23 Kmax max 0.85 0.60 0.44 0.35 Kmax (g) 0.959 0.677 0.496 0.395 Ky Kmax 0.302 0.399 0.504 0.583
= 7.5Desplaz. (cm) 99.86 34.27 13.28 5.71
DEFORMACIONES PERMANENTES MTODO DE MAKDISI Y SEEDSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W B. TALUD AGUAS ABAJO max = 1.128 g Msy/H 0.25 0.50 0.75 1.00 Ky (g) 0.32 0.29 0.26 0.23 Kmax max 0.85 0.60 0.44 0.35 Kmax (g) 0.959 0.677 0.496 0.395 Ky Kmax 0.334 0.428 0.524 0.583
= 7.5Desplaz. (cm) 90.15 26.92 11.13 6.00
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El anlisis de Estabilidad Pseudo-Esttico se aplica a presas o diques de enrocado, rellenos cohesivos y arenas densas compactadas. El anlisis de Estabilidad Dinmico Riguroso se aplica a presas o diques de arenas medianamente densas o cimentacin similar. Se debe considerar el mtodo de anlisis y la interpretacin de resultados. El anlisis riguroso requiere determinar los esfuerzos estticos iniciales y la respuesta dinmica con el sismo de diseo. El mtodo de elementos finitos simula la secuencia de construccin y las condiciones de esfuerzos existentes antes del sismo y la respuesta dinmica posterior. El anlisis de Estabilidad Post-Sismo se utiliza en casos de licuacin de suelos y prdida de resistencia cortante del suelo. Este caso no ha sido tratado en esta presentacin. La presa Palo Redondo, de enrocado con pantalla de concreto tiene una gran capacidad de resistir sismos muy fuertes con pequeas deformaciones. El Mtodo Simplificado de Deformaciones Permanentes se aplica conservadoramente al caso de la presa Palo Redondo.