Diseño Sismico Puente Cimentación Profunda

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    13-Dec-2014

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DESEMPEO SISMICO DE UN PUENTE CIMENTADO SOBRE FUSTES BARRENADOS EN DIFERENTES TIPOS DE SUELOPor Samuel Cuadrado de Jess Tesis sometida en cumplimiento parcial de los requisitos para el grado de

MAESTRO EN CIENCIASen Ingeniera Civil UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO RECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGEZ Mayo 2006 Aprobado por: _________________________________ Daniel Wendichansky, Ph. D. Presidente, Comit Graduado _________________________________ Luis E. Surez, Ph. D. Miembro, Comit Graduado _________________________________ Miguel A. Pando, Ph. D. Miembro, Comit Graduado _________________________________ Juan C. Virella, Ph. D. Miembro, Comit Graduado _________________________________ Jos R. Arroyo, Ph. D. Representante de Estudios Graduados _________________________________ Ismael Pagn Trinidad, M.S.C.E. Director del Departamento de Ingeniera Civil y Agrimensura ___________ Fecha

___________ Fecha

___________ Fecha

___________ Fecha

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___________ Fecha

RESUMEN

El uso de los fustes barrenados como alternativa para la fundacin profunda en puentes es cada vez ms popular debido a que a veces esta tecnologa resulta ms atractiva sobre los pilotes hincados por sus ventajas econmicas y/o constructivas. Sin embargo, es de conocimiento general entre los ingenieros geotcnicos y estructurales que sta es un rea que requiere mucha investigacin pues se carece de mtodos vlidos y estndares para el anlisis de la interaccin suelo estructura de los fustes barrenados. En este estudio se describe el comportamiento ssmico de un puente con pilastras tipo pile bent cimentado sobre fustes barrenados ante diferentes tipos de suelo segn la clasificacin establecida por el AASHTO (1996). Los resultados obtenidos indican que para el puente estudiado en Suelos Tipo III o mas blandos el colapso de las cubiertas del puente sera inminente al no poder proveerse longitudes de asiento que sean prcticos.

ii

SUMMARY

The use of drilled shafts over pile foundations as bridge foundation has become more popular in recent years because it sometimes yields constructive and economical advantages. Nevertheless, it is common knowledge amongst geotechnical and structural engineers that further investigation is required since no standards for considering the soilstructure interaction are readily available when considering drilled shafts. This study describes the seismic behavior of a pile-bent bridge over drilled shafts under the different soil profiles established by AASHTO (1996). Results indicate that the bridge studied, when located in soils corresponding to Soil Profile Type III or softer, would experience collapse of the bridge slabs since the magnitude of the displacements obtained require impractical bearing seat lengths.

iii

TABLA DE CONTENIDOPgina LISTA DE TABLAS LISTA DE FIGURAS LISTA DE APENDICES 1 INTRODUCCIN 1.1 1.2 2 Introduccin Objetivos 1 5 v x xviii

REVISION DE LITERATURA 2.1 2.2 Introduccin Mtodologias para el anlisis y modelaje de fundaciones profundas bajo carga lateral Anlisis de fundaciones profundas bajo carga lateral Efecto de la rigidez suelo-fundacin profunda en el desempeo ssmico de los puentes 7

8 11

2.3 2.4

16

3

DESCRIPCIN DEL PUENTE INSTRUMENTADO E INSTRUMENTACIN 3.1 3.2 3.3 Introduccin Descripcin del puente instrumentado Instrumentacin 23 23 25

4

ESTUDIO DE SUELOS DEL PUENTE INSTRUMENTADO Y DESCRIPCION DE LOS PERFILES DE SUELO SELECCIONADOS PARA EL ANLISIS SISMICO DEL PUENTE SOBRE FUSTES BARRENADOS 4.1 4.2 Introduccin Estudio de suelo del puente sobre el ro Indio 44 45

iv

4.3

Suelos seleccionados para el anlisis ssmico del puente sobre fustes barrenados

45

5

MODELO MATEMATICO DEL PUENTE INSTRUMENTADO 5.1 5.2 Introduccin Modelo 3D elstico en elementos finitos 54 55

6

RIGIDEZ DEL SUELO-FUSTE BARRENADO 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Introduccin Metodologas para modelar la rigidez de la fundacin Capacidad axial del fuste barrenado Capacidad lateral del fuste barrenado Programa para el anlisis de grupo de pilotes Mtodo de carga caracterstica 65 66 69 73 81 89

7

DISEO DE LOS FUSTES BARRENADOS Y MODELO PARA EL ANALISIS SISMICO DE LOS FUSTES BARRENADOS 7.1 7.2 Introduccin Modelo matemtico para el anlisis ssmico del puente sobre fustes barrenados 7.3 7.4 7.5 Longitud de los fustes barrenados Curvas de rigidez suelo-fuste barrenado 115 117 117 114

Comparacin de la rigidez de los fustes barrenados con la rigidez del grupo de pilotes del puente instrumentado 123 Diseo de los fustes barrenados y analisis espectral multimodal del puente

7.6

124

v

8

RESULTADOS DEL MTODO DE CAPACIDAD ESPECTRAL PARA EL PUENTE SOBRE FUSTES BARRENADOS 8.1 8.2 8.3 8.4 Introduccin Curvas de capacidad para los fustes barrenados El mtodo de capacidad espectral Discusin de los resultados del mtodo de capacidad espectral para el puente sobre fustes barrenadoslos fustes barrenados 168 168 173

175

9

CONCLUSIONES 9.1 9.2 Introduccin Conclusiones 187 191 193 199

LITERATURA CITADA APENDICES

vi

LISTA DE TABLASPgina 1. Tabla 2.1Revisin de literatura basada en mtodos para el anlisis y modelaje de fundaciones profundas sujetas a carga lateral Tabla 2.2. Revisin de literatura basada en fundaciones profundas bajo carga lateral Tabla 2.3 Revisin de literatura basada en la respuesta ssmica de puentes cimentados sobre fundaciones profundas Tabla 3.1: Localizacin de las paredes A y B Tabla 3.2: Profundidad de los grupos de pilotes Tabla 3.3: Localizacin y direccin de los acelermetros instalados Tabla 3.4: Localizacin de las registradoras Altus K2 Tabla 3.5: Localizacin de las cajas de empalme Tabla 4.1. Profundidad de los registros de perforacin utilizados para definir el perfil de suelos del puente sobre el Ro Indio 10. Tabla 4.2. Valores empricos para suelos cohesivos basados en N, despus de Bowles (1977) 11. 12. 13. 14. Tabla 4.3. Razn de vanos para varios tipos de suelo, Das (1995) Tabla 4.4. Gravedad especfica para varios tipos de suelo, Bowles (1997) Tabla 4.5. Peso unitario saturado de los suelos existentes en puente Tabla 4.6: Valores empricos para suelos granulares basados en N, Bowles (1977) 15. 16. Tabla 4.7. Razn de Poisson para diversos tipos de suelo, Bowles (1997) Tabla 4.8. Valores de ks para arenas, Reese et al. (2003) vii 55 56 56 53 53 53 55 51

20

2.

21

3.

22 31 31 35 37 39

4. 5. 6. 7. 8. 9.

17. 18. 19. 20.

Tabla 4.9. Valores de ks para arcillas, Reese et al. (2003) Tabla 4.10. Valores de 50 para arcillas, Reese et al. (2003) Tabla 4.11. Valores de 50 para arcillas rgidas, Reese et al. (2003) Tabla 4.12. Propiedades de los suelos obtenidas para el perfil de suelos del puente sobre el Ro Indio

56 56 56

57 57 57

21. 22. 23.

Tabla 4.13. Coeficiente de sitio S, AASHTO (1996) Tabla 4.14. Densidad relativa para materiales granulares, Das (1995) Tabla 4.15. Razn de vanos, contenido de humedad y peso unitario seco para varios tipos de suelo, Das (1995)

61 61 72

24. 25. 26.

Tabla 4.16. Peso unitario saturado para varios tipos de suelo Tabla 5.1: Rigidez y otros parmetros de los soportes elastomricos Tabla 6.1 Largos equivalentes para suelos cohesivos y no cohesivos, FHWA (1996) Tabla 7.1: Altura sobre el nivel del suelo de las pilastras en el mdelo Tabla 7.2: Propiedades de las columnas Tabla 7.3 Momentos de inercia para diferentes elementos segn las recomendaciones del ACI (2002) Tabla 7.4: Carga axial para fuste barrenado de 1.372 m de dimetro Tabla 7.5: Carga axial para fuste barrenado de 1.829 m de dimetro

112 138 139

27. 28. 29.

139 140 140

30. 31. 32. 33.

Tabla 7.6: Longitud de los dos fustes barrenados para los 5 perfiles de suelo 141 Tabla 7.7: Propiedades mecnicas de los suelos que componen los 5 perfiles 156

34.

Tabla 7.8: Eficiencia y factores de reduccin debido al efecto de grupo de los fustes barrenados en la direccin longitudinal

143

viii

35.

Tabla 7.9 Eficiencia y factores de reduccin debido al efecto de grupo de los fustes barrenados en la direccin transversal Tabla 7.10: Comparacin del cortante, momento, desplazamiento y rotacin a nivel del suelo del fuste barrenado 31 en las direcciones longitudinal y transversal Tabla 7.11 Comparacin del desplazamiento en direccin longitudinal a nivel del suelo de los fustes barrenados utilizando el mtodo de carga caracterstica (Duncan et al. 1994) y el programa GROUP 6.0 Tabla 7.12: Participacin de masa modal para el modelo del puente sobre fustes barrenados de 1.372 m de dimetro. Tabla 7.13: Participacin de masa modal para el modelo del puente sobre fustes barrenados de 1.829 m de dimetro. Tabla 7.14 Propiedades ssmicas de los tipos de suelo segn el AASHTO (1996) Tabla 7.15 Rigidez asignada a los resortes correspondientes al fuste barrenado 12 de 1.372 m de dimetro Tabla 7.16 Rigidez asignada a los resortes correspondientes al fuste barrenado 12 de 1.829 m de dimetro Tabla 7.17 Carga muerta para fustes barrenados de 1.372 m de dimetro Tabla 7.18 Carga muerta para los fustes barrenados de 1.829 m de dimetro Tabla 7.19: Cargas resultantes del anlisis espectral en la direccin longitudinal del modelo, d = 1.372, perfil de suelo #1 Tabla 7.20: Cargas resultantes del anlisis espectral en la direccin transversal del modelo, d = 1.372, perfil de suelo #1 Tabla 7.21: Cargas resultantes del anlisis espectral en la direccin longitudinal del modelo, d = 1.829 perfil de suelo #1 Tabla 7.22: Cargas resultantes del anlisis espectral en la direccin transversal del modelo, d = 1.829 perfil de suelo #1 Tabla 7.23: Combinacin de cargas 1.0(D + LC1/R), d = 1.372, perfil de suelo #1 Tabla 7.24: Combinacin de cargas 1.0(D + LC2/R), d = 1.372, perfil de suelo #1

143

36.

149

37.

149

38.

150

39.

150

40.

153

41.

153

42.

153 154 154

43. 44. 45. 46. 47.

154

48. 49. 50.

155 155 155

51.

156

52.

156

ix

53.

Tabla 7.25: Combinacin de cargas 1.0(D + LC1/R), d = 1.829, perfil de suelo #1 Tabla 7.26: Combinacin de cargas 1.0(D + LC2/R), d = 1.829, perfil de suelo #1 Tabla 7.27: Combinacin de cargas para el fuste barrenado 33 de 1.372 m de diametro en los 5 perfiles de suelo Tabla 7.28: Combinacin de cargas para fuste barrenado 33 de 1.829 m de dimetro en los 5 perfiles de suelo Tabla 7.29 Razn de esbeltez para fuste barrenado de 1.372 m de dimetro Tabla 7.30: Razn de esbeltez para fuste barrenado de 1.829 m de dimetro Tabla 7.31 Momentos magnificados debido al efecto P- para el fuste 33 de 1.372 m de dimetro en la direccin longitudinal y transversal Tabla 7.32 Momentos magnificados debido al efecto P- para el fuste 33 de 1.829 m en la direccin longitudinal y transversal Tabla 7.33 Cargas de diseo para el fuste de 1.372 m de dimetro Tabla 7.34 Cargas de diseo para el fuste de 1.829 m de dimetro

156

54.

157

55.

157

56.

157 159 159

57. 58. 59. 60.

161

61.

161 162 162

62. 63.

64.

Tabla 7.35 Capacidad axial y de cortante de los fustes barrenados provista por el concreto Tabla 7.36: Cuanta de acero de los fustes barrenados y/o columnas para los cinco perfiles de suelo Tabla 8.1: Propiedades dinmicas y cargas utilizadas en el mtodo de capacidad espectral Tabla 8.2: Periodo correspondiente al primer modo de vibracin de los puentes y desplazamiento obtenido del anlisis espectral multimodal Tabla 8.3 Desplazamientos y periodos de los puentes sobre fustes Barrenados obtenidos del CSM y del Analisis Espectral Multimodal

163

65.

166

66.

180

67.

181

68.

205

x

LISTA DE FIGURASPgina 1. 2. 3. 4. 5. 6. Figura 3.1 Localizacin del Puente en la Ruta PR 22 Figura 3.2 Dibujos esquemticos con vistas del Puente sobre el Ro Indio Figura 3.3 Vista hacia el suroeste del Puente sobre el Ro Indio 28 29 30

Figura 3.4 Vista hacia el noreste de las pilastras del Puente sobre el Ro Indio 30 Figura 3.5 Vista frontal de una seccin de la cubierta del puente Figura 3.6 Dimensiones de los soportes elastomricos del puente Instrumentado 31

31

7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Figura 3.7 Geometra de los tres tipos de diafragma del puente instrumentado 32 Figura 3.8 Refuerzo en las columnas para las pilastras con pared Figura 3.9 Refuerzo en las columnas para las pilastras sin pared Figura 3.10 Dimensiones de las paredes tipo A y B Figura 3.11 Arreglo del grupo de pilotes (H 14 x 89) en los estribos Figura 3.12 Arreglo del grupo de pilotes (H 14 x 89) en las pilastras Figura 3.13 Grficos de respuesta de amplitud y fasepara el EpiSensor Es-U (Adoptado de Kinemetrics, Inc) Figura 3.14 Acelermetro un axial ES-U (Adoptado de Kinemetrics, Inc) Figura 3.15 La grabadora digital Altus K2 (Adoptado de Kinemetrics, Inc) Figura 3.16 Localizacin de los acelermetros instalados y su direccin Figura 3.17 Vista del acelermetro ES-U instalado Figura 3.18 Vista del Altus K2 instalado Figura 3.18 Vista de una caja de empalme instalada 33 34 35 36 37

38 39 39 41 42 42 43

14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Figura 4.1 Coeficientes de aceleracin (A) para Estados Unidos y Puerto Rico 50 xi

21.

Figura 4.2 Propiedades y clasificacin segn AASHTO (1996) de los perfiles de suelo I, II y III seleccionados para la investigacin (Virella, 2000) 51

22.

Figura 4.3 Propiedades y clasificacin segn AASHTO (1996) de los perfiles de suelo I, II y III seleccionados para la investigacin (Virella, 2000) 52 Figura 5.1 Modelo del Puente sobre el ro Indio Figura 5.2 Vista de la losa en elementos finitos del modelo 3D Figura 5.3 Elementos que componen la viga AASHTO Tipo VI Figura 5.4 Unin entre la losa y viga mediante los enlaces rgidos Figura 5.5 Enlace rgido entre la base del soporte y la viga de coronacin Figura 5.6 Elementos de prtico en la pilastra 9 del modelo 3D Figura 5.7 Constraints en la viga de coronacin y en la base de las vigas AASHTO Tipo VI para las pilastras fijas a la cubierta Figura 5.8 Elementos de cscara utilizados en los estribos Figura 5.9 Nodos en losa con masa asignada de los parapetos Figura 5.10 Condicin de empotramiento perfecto a nivel del cabezal de pilotes Figura 6.1. Matriz de rigidez acoplada de un pilote, PoLam et al. (1998) Figura 6.2. Grados de libertad de un pilote, PoLam et al. (1998) Figura 6.3. Conteo de golpes SPT vs. largo en voladizo del pilote en arcillas, Caltrans (1990) Figura 6.4. Conteo de golpes SPT vs. largo en voladizo del pilote en arenas, Caltrans (1990) Figura 6.5. Viga en voladizo equivalente, FHWA (1996) Figura 6.6. Modelo de resortes no acoplados, FHWA (1996) Figura 6.7. Curva de carga vs. asentamiento de un pilote, Reese et al. (2003) 59 59 60 60 61 62

23. 24. 25. 26. 27. 28. 29.

62 63 63

30. 31. 32.

64 92 92

33. 34. 35.

93

36.

93 94 94

37. 38. 39.

95

xii

40.

Figura 6.8. Distribucin de carga sobre un pilote con carga axial, Reese et al. (2003) Figura 6.9. Valores de alpha vs su/pa, FHWA (1999) Figura 6.10. Mecanismo de resistencia para un pilote bajo carga lateral, FHWA (1996) Figu...