Análisis Sísmico en Puentes usando CSiBridgeResumen: El participante al final del curso podrá realizar de manera automática el análisis y diseño sísmico, herramienta que trae el programa CSiBridge; evaluando la respuesta al espectro de diseño y podrá hacer el análisis pushover. Además, el programa CSiBridge determinará los el ratio de desplazamientos de demanda vs la capacidad (D/C), para un Sistema de Resistencia Sísmica (ERS) Este curso lo dedicaremos a desarrollarlo en 8 pasos: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Crear el Modelo del Puente; (se le alcanzara el modelo en un archivo cdb). Evaluar el riesgo sísmico del movimiento de suelo y su respectiva amplificación en aceleración (PGA) y la solicitud de diseño sísmico requerida. Completar el análisis de la carga muerta y evaluar las propiedades de sección fisurada de las secciones a evaluar. Identificar el espectro de respuesta y los desplazamientos de la demanda por sismo. Determinar las propiedades plásticas de las rotulas y asignarlas a los elementos a evaluar. Análisis Automatizado por desplazamiento. Evaluar la relación entre demanda / capacidad (D/C). Resultados de la revisión y crear un informe. C ur so Figura 1.- Esquema general CSICaribe - cursos.construaprende.com s C C S SII C C ar ar iib b e e PASO 1 Crear el Modelo de Puente 1.1 Ejemplo Modelo (archivo adjunto) En este capítulo se describe el primer paso en el proceso a realizar; para completar el análisis sísmico de un puente con CSiBridge. Se asume que el participante está familiarizado con los requisitos establecidos en el programa relacionado con la creación de un Bridge Object. El modelo de este ejemplo en CSiBridge será el que a lo largo de este tema desarrollaremos, estoy incluyendo todos los parámetros de entrada, para que lo pueda desarrollar de manera individual. Como se describe en las especificaciones de la Guía AASHTO LRFD para análisis y diseño sísmico en puentes, la estrategia de diseño sísmico de este puente es del TIPO 1, diseñar de manera dúctil (1.3.3 D uctilidad G uía la subestructura con una superestructura esencialmente elástico ( AASHTO LRFD). Esto implica que el diseño debe incluir la asignación de rotulas plásticas con las características de degradación para las columnas. 1.2 Descripción del Modelo a desarrollar Se trata de un puente con tres vanos de hormigón armado y tablero con vigas AASHTO I; las características son: Pilotes: el diámetro de los pilotes es 0.36m; la funda es de acero con rellenos de hormigón. El hormigón se refuerza con 06 barras de acero vertical #5 (5/8”) y con 03 espirales #4 (1/2”) espaciados cada 3”. Base de Pilotes: las columnas de forman el Bents están conectados monolíticamente a una zapata de hormigón que está soportado por nueve pilotes cada una. Los zapata o base de pilotes tiene las siguientes dimensiones: 3.95m x 3.95m x 1.20m (espesor). C C ur ur so so Figura 2.- Modelo final (archivo adjunto) CSICaribe - cursos.construaprende.com s s C SI C ar ib e C C ur ur Figura 3.. El ancho del deck es 11.construaprende. Deck: el deck se compone de 05 vigas Precast I-Girder AASHTO de 3’-3” que soportara un slab cuyo espesor en concreto es de 0.com s s Figura 4. Los Estribos se supone que es libre tanto en la dirección longitudinal y transversal.Bents: hay dos Bents interiores con tres columnas de soporte cuyo diámetro es 0.Vista en Planta C SI C ar ib e . para efecto del análisis sísmico y evaluar la condición más desfavorable en los Bents.cursos.. Span: la longitud de los claros es de 20m cada uno. y una superficie de desgaste (35 libras por pie cuadrado).20m.Elevación del Modelo del Puente so so CSICaribe .80m medido desde de borde a borde del deck.90m. com s s C SI C ar ib e .Elevación Frontal del Bents CSICaribe .construaprende.cursos.. La disposición la línea de diseño se define mediante el comando Layout > Layout Line > New. sin variación en la elevación. La longitud real de la línea de diseño es 59 metros.. Figura 7 El trazado de la línea es recta.3 Bridge Layout Line Seleccionar una hoja en blanco Figura 6.seleccionar hoja de inicio en blanco El modelo del ejemplo tiene tres claros de aproximadamente 20m cada uno. C C ur ur so so Figura 5.1. 4.4 Secciones de la Sub estructura Figura 8..com s s 1. C C ur ur so so CSICaribe . Los cuatro tipos de elementos son: S SII C C ar ar Figura 7.Geometría de la viga cabezal del Bent En el cap 5.1 Bent Cap Beam C C Cuatro propiedades de sección tipo FRAME usaremos en el modelo. asignaremos las propiedades avanzadas al material..1.Bridge Layout Line Data iib b e e .construaprende. con propiedades no lineales.cursos. ingresar la información según las propiedades geométricas como se muestra en la figura 9. C C S SII C C ar ar iib b e e .com s s Figura 9.3 I-Girder Properties Definir la viga prefabricada según se indica en la figura 10 C C ur ur so so Figura 10.Data de las Columnas circulares del Bents En el cap 5.2 Bent Column Properties Las columnas se define mediante la opción Section Designer.cursos..4.. asignaremos las propiedades avanzadas al material.construaprende.Precast I-Girder Properties CSICaribe .1. con propiedades no lineales.4. Components > Type > Frame Properties > New > Other > Section Designer 1. unidad cm4) CSICaribe .4 Propiedades de los pilotes El diámetro de los pilotes es 0. (Momento de segundo orden asociado a la flexión. por lo tanto debemos modificar los factores para conseguir este efecto en muestro modelo.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e .Modificadores para el momento de inercia de la sección final C C ur ur so so Figura 11.1.. el factor es de 2. Figura 12.Propiedades del pilote aumentando la rigidez a la flexion de la sección en La funda de acero que confina al pilote aumenta sus componentes 2-2 y 3-3. con acero longitudinal #9.construaprende..4. (Components > Type > Frame Properties > New > Concrete > Circular.30.36m y serán 06 pilotes verticales por cada base de pilotes.cursos. como se muestra en la figura 1-10 C C ur ur Los Bents para este modelo esta conformado por una viga cabezal (Cap_Beam) cuya longitud es de 11.5 Bridge Deck Section La sección del deck es de: 12.Data del Bent (parte 1) CSICaribe .40m de ancho con un total de cinco I-vigas..Los pilotes son agregados al Bridge Model como un sistema en cantiléver equivalente (descrito en la sección 1.8) usando este método. esto será Surface asignado al modelo como superpuestas cargas muertas (Wearing Surface).cursos.construaprende. el pilote es reemplazado por una viga con propiedades de rigidez equivalente a la del pilote interactuando con el suelo circundante. 1.com s s C C Figura 13.6 Bent Data Figura 14. así como la superficie de desgaste no son parte de la definición del deck. S SII C C ar ar iib b e e ..80m. en la figura 14 se muestra el ingreso de data para las columnas que conforman el Bent.Sección del Deck (Components > Superstructure Type > Deck Section > New) Los parapetos. so so 1. so so CSICaribe . entonces proveerá una carga en la dirección prescrita que actuara en el puente como parte del ERS.7 Definición del Objeto Puente (Bridge Object Data) .Data del Bent (parte 2) Figura 16.Figura 15. Bents que (apoyos intermedios) asi como de las propiedades del Bearing (soporte o vinculación) que se asignen en cada elemento descrito anteriormente. Por lo tanto el ERS dependerá del tipo de soporte o vinculación que se esté usado en los Abutments (estribos). La respuesta sísmica del modelo de puente dependerá del Earthquake Resisting System (ERS). El participante puede definir los tipos o (ERS)...Definir los claros y asignar el deck a cada vano C C ur ur Si una vinculación (Bearing) tiene restricción DOF (grados de libertad).com s s Data del Objeto Puente (haga clic en Bridge > B ridge O bject > N ew) utiliza para definir la ew ubicación y las asignaciones de los Abutments y Bearings.cursos. condiciones de soporte o vinculacion en el Abutments como en el Bent.construaprende. C C S SII C C ar ar iib b e e 1. inicial y final..Los estribos (Abutments) pueden definirse usando como soporte los Bents. en este modelo no usaremos esta característica.Observación. Figura 17.construaprende. asi como las propiedades del bent podrán usarse como apoyo en los estribos (Abutment) Figura 18.1 Abutment Property Assignments Los Estribos (Abutment) son asignados al inicio y al final de cada estación. El bearing que vincula al Abutment puede tener un angulo de sesgo según sea necesario.Línea de comando para asignar los Abutment..cursos. diafragma rigidos también pueden ser asignados a los Abutments.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e .Opción para asignar como subestructura en los Abutment las propiedades del Bent C C ur ur so so CSICaribe . 1. como se muestra en la figura 17 (Bridge > Bridge Object > Supports > Abutments).. usando el comando del Bridge Object from shown.7. El valor del empuje hacia el exterior y el momento en el deck están en función de la cantidad de rotación y de la distancia medida desde el eje neutro del deck a la parte superior de la vinculación del abutment. Para este modelo. so so CSICaribe . para definir la ubicación del bearing del Abutment y la modelo subestructura. Por lo tanto. Este es el lugar es donde se evalúa el desplazamiento o giro en función de las propiedades del apoyo. así como las propiedades de restricción de dichos bearing. Los extremos del deck del puente tendrán una tendencia a girar debido a la carga de la gravedad..7.2 Abutment Geometry En la figura 20 también se muestra la ubicación del nudo de acción BRG1.construaprende. solo restricción vertical 19. 1.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e . el participante debe prestar especial atención a las elevaciones de la subestructura y de los bearing. las reacciones externas sobre los apoyos y los momentos del deck podrían ser inducidas como resultado por estas restricciones.cursos. El participante también debe tener en cuenta que la resistencia por fuerza sísmica dependerá de las propiedades de restricción de los bearing en los apoyos de los bents y los abutments. Figura 19 Para ayudar a visualizar la geometría del estribo (Abutment). También hay que señalar que el programa CSiBridge incluye automáticamente un link BFXSS rígido cuando se actualiza la información ingresada.La ubicación de la subestructura es fundamental en la creación del modelo ya que el programa CSiBridge toma en cuenta la cinemática entre la superestructura y la subestructura. Si los apoyos estuvieran restringidos para la traslación en ambos extremos de un puente. sólo se considerara fijo la traslación vertical (U1) en los apoyos de los abutment. C C ur ur Figura 19. 19. en la figura 20 se muestra los valores de este modelo. se supone que en estos apoyos no hay restricción en la dirección longitudinal y transversal. todos los otros componentes de este apoyo quedaran libre.Bearing libre. Similar a la asignacion del Abutment C C ur ur Figura 22.construaprende..Asignación y ubicacion de los bents so so CSICaribe .Figura 20.3 Bent Property Assignments Las propiedades del Bents son asignadas al Bridge Object desde: (Bridge > Bridge Object > Supports >Bents).Asignación y ubicación de los abutments 1..com s s C SI C ar ib e .Esquema geométrico del estribo Figura 21.cursos.7.. éstos fueron incluidos como parte del modelo a desarrollar.4 Bent Geometry En la figura 23 se muestra la elevación del bent interactuando con la superestructura. Por ejemplo a través de los Pilotes equivalentes en longitud. C C Figura 24. como se describe en la Sección 1. e iib b e e . fundación Las longitudes equivalentes se establecieron usando las ecuaciones siguientes.Geometria en elevación del Bent Observe que el link BRG2 conecta la vinculación (bearing fijo) al centro geométrico del cap_beam. figura 24 so so CSICaribe . empotradas o parcialmente fija en la base de las columnas).55 metros para simular la acción del suelo alrededor de la fundación. es decir utilizando una longitud equivalente de 1..8 Definición del Pilote Equivalente Aunque no es necesario incluir elementos explícitos de la cimentación ( en este modelo se podría usar como restricciones fijas.com s s C C S SII C C ar ar Figura 23.Propiedades equivalentes para la fundación ur ur 1.7.1.construaprende. el nudo de conexión donde actúa el link BRG2 es en la elevación -1.cursos.4. Las fundaciones pueden ser modeladas de muchas maneras.4..24m. 40m C ur so CSICaribe .com s C C S SII C C Figura 25.cursos.Dibujar los nudos que conformaran la zapata en un plano ubicado a 0.Ubicación del plano Z=-9.1.60m por debajo del plano anterior esto es en Z=-10..8m ar ar iib b e e . (la elevación de la base de columna es Z=-9.80m y el plano eje de zapatas estará en Z=-10..construaprende.9 Modelo de la fundación del Bent Dibujar la base de los pilotes en un plano a 60cm por debajo de la base de las columnas.40m) Figura 26. com s C C S SII C C ar ar iib b e e .Dibujar las zapatas según los datos mostrados en el plano Z=-10. Cap_Pile.Geometría de la Zapata.40m Figura 28.cursos.construaprende.Figura 27.. asignar restricción al apoyo de los pilotes C ur so CSICaribe .. Modelo final en 3D .. el peso combinado de la estructura y el peso de la superficie de desgaste estimada en 0.1.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e Figura 29. En este ejemplo.11 tn/m2 que corresponde al peso especifico del asfalto por el espesor de la carpeta de desgaste.Definir y Asignar superficie de desgaste a la superestructura C C ur ur so so CSICaribe ..construaprende.cursos. añadiremos un nuevo patrón de carga Wearing Surface (SD) Figura 30.10 Fuente de Masa Se utiliza para definir la fuente de masa y las cargas que se incluyen en el análisis modal y del espectro de respuesta la carga de los casos. Definir la fuente de donde se tomara la masa.com s C C S SII C C ar ar iib b Figura 31.cursos..construaprende.C ur so CSICaribe . del peso de la estructura y de la carga impuesta en el deck (SD) e e . 2 AASHTO and USGS Mapas de Peligro Sísmico La norma aprobada en el 2010 de la Guia AASHTO especificaciones por LRFD Seismic Bridge Design incorpora mapas de riesgo sísmico sobre una base de un período de retorno de 1.. también se consideran y son parte de los datos de entrada del participante. el participante puede introducir cualquier respuesta definida a través de un archivo txt de datos del espectro.com s C C S SII C C ar ar iib b e e . 2. Como una alternativa.000 años.PASO 2 2.1 Definición del Espectro de Diseño Resumen El espectro de respuesta puede ingresarse con la definición de la ubicación del puente en coordenadas de latitud y longitud o con el código postal de zona (esto solo esta aplica a los 52 estados americanos).cursos. Cuando el usuario define la ubicación del puente por latitud y longitud. CSiBridge crea la curva de respuesta de espectro apropiado de la siguiente manera: Figura 32. Los efectos de sitio (clasificaciones de suelos “in situ”).Mapa de peligro sísmico o curva de peligro para determinar el PGA C ur so CSICaribe .construaprende. cursos.3 Requerimiento al Diseño Sísmico A través del comando: Design/Rating > Seismic Design > Design Request >Add New Request podrá agregar la solicitud de diseño requerida como se muestra en la figura 34 Figura 34..Espectro de respuesta de speudo aceleración vs periodos 2.Ventanas de dialogo para un nuevo requerimiento de diseño.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e . Figura 33. podemos ingresar los valores para definir nuestro espectro de respuesta.Con los datos sísmicos del lugar así como del estudio de suelos.. C C ur ur so so CSICaribe .construaprende. Este factor se aplica a todas los Bents en ambas direcciones longitudinal y transversal. 07 Caso de El nombre de un caso de gravedad de la carga existente para ser utilizados carga de como condiciones iniciales para el análisis de la demanda y la capacidad. El participante debe seleccionar la carga que deben incluirse. Si el programa determinado por la categoría sismo (SDC) de diseño sísmico este calcula automáticamente a partir de la función de respuesta de espectro 04 Categoría de Categoría de diseño sísmico lo determina por el programa o puede ser Diseño Sísmico especificado por el participante. 09 Incluye PEspecifica si se va a considerar efectos P-Delta en el programa determinado Delta por caso de carga por gravedad. 05 Factor de Este factor de escala multiplica el desplazamiento demandado de los Bents demandado demanda de obtenida del análisis de respuesta del espectro. Las propiedades agrietados de la sección no se calculan automáticamente en este caso.Descripción de los parámetros: ITEM DESCRIPCION DEL PARAMETRO DE REQUERIMIENTO 01 Función del Usar el espectro de respuesta definido en la sección anterior para una espectro de determinada respuesta sísmica. que nos permite encontrar el ratio de demanda vs capacidad. El participante puede especificar si desea o no calcular automáticamente las propiedades agrietadas de las columnas del Bents y si se incluye o no los efectos P-delta. Incluirá s automáticamente todos los patrones de carga ya seas Dead y Wearing Surface especificados. y puede incluir la construcción por etapas. un caso de gravedad de la carga no lineal se crea automáticamente utilizando toda la estructura o solo el objeto puente que se defina por grupos de diseño opcional. un caso existente lineal o no especificados lineal de carga estática o dinámica debe ser seleccionada. o para ampliar la demanda de estructuras en períodos cortos. 10 Opcion de Especifica si las propiedades agrietadas de las columnas del Bents se peopiedades determinan por el programa o especificados por el usuario. El caso de carga por gravedad se utiliza para caso de cargas establecer las condiciones iniciales en el análisis de la demanda y la capacidad. no lo usaremos. Adicional Este artículo sólo es necesario cuando el caso es el programa de carga de gravedad determinado y en función del objeto de esta solicitud puente de diseño. en nuestro caso no 02 Función del espectro de tenemos un espectro con respuesta vertical. de Gravedad Si el programa lo genera.construaprende. para sismos que predominan en acción Respuesta horizontal Horizontal Opcional para evaluar respuesta vertical por sismo. Este gravedad caso puede ser lineal o no lineal. y las propiedades agrietada (si se desea) debe tenerse en cuenta. Si el programa lo agrietadas determina. Si es definido por el participante. estático o dinámico. Puede incluir pilotes y otras estructuras auxiliares. 08 Grupo Un grupo adicional opcional que se incluirán en el caso de carga por gravedad.com s s C C S SII C C ar ar iib b e e . Respuesta Vertical 03 Opción para Especifica si la categoría de diseño sísmico es determinado por el programa o la categoría de especificados por el participante.cursos. Este factor se puede utilizar espectro. 06 Opcion para Especifica si el caso de carga por gravedad es determinado por el programa o especificados por el participante. el caso de carga de gravedad de manera automática se llevará a C C ur ur so so CSICaribe . tenemos 4 categorías y usaremos la D. desplazamiento para modificar el desplazamiento debido a que la amortiguación no sea del para los Bent 5%. de lo contrario l se utilizara la rigidez cero a las condiciones iniciales. Este artículo sólo es necesario cuando el cálculo propiedades agrietada es determinado por el programa. rigidez en el extremo del caso de carga por gravedad no lineal. el usuario puede controlar la carga o seleccionar el método de combinación SRSS direccional. ar ar iib b cabo de forma iterativa. Especifica si el diseño sísmico debe continuar si la sección agrietada de por iteración no converge. Si el programa lo determina. base del caso de carga de respuesta de espectro que representa el diseño sísmico. el usuario puede cont controlar la rigidez inicial. Si el programa lo determina en este caso de carga modal utilizara la determina. El caso de carga de respuesta de espectro representa la demanda sísmica. Si el programa lo determina.cursos. y combinado con el 100% + 30%. Especifica si el caso de carga de respuesta de espectro es determinado por el programa o especificados por el usuario. C o D. Este artículo sólo es necesario cuando el cálculo de propiedades agrietada lo determinada el programa. la dirección longitudinal (U1) dirección de carga es elegido para ur ur so so CSICaribe . La Section Designer usará la fuerza axial calculada en la parte superior e inferior en la columna para determinar los momentos de inercia en secciones agrietados en las direcciones positiva y negativa transversales y longitudinales. Este artículo sólo es necesario si la opción de caso de carga modal está definida por el usuario.com s s C C S SII C C 13 Accept Unconverged Results Convergence 14 Opcion Case Load Modal Especifica si el caso de carga modal es determinado por el programa o especificados por el participante. Aceleración de la carga se aplica en las direcciones longitudinal y transversal del objeto puente. Si es definido por el participante. Este artículo sólo es necesario cuando el cálculo de propiedades agrietadas es determinado por el programa. programa e e . Este artículo sólo es necesario si la opción de carga de respuesta de espectro caso está definido por el usuario. Por lo general. C o D. . El número máximo de iteraciones permitidas para las secciones agrietadapropiedad iteración. eigenvectores vs Ritz. El caso de carga modal se utiliza como la participante. y otros parámetros modales. El nombre de un caso de carga existente de respuesta de espectro que representa la demanda sísmica. La tolerancia de convergencia con respecto a la sección agrietada de propiedad de la columna del bents por iteración. sólo una iteración es necesaria. en este caso de carga se utilizara el espectro de respuesta dada la función y el caso de carga modal. Si definido por el usuario. Este artículo sólo es necesario si la categoría de diseño sísmico es B.11 Tolerancia de convergencia 12 Maximo numero de iteraciones 16 Opcion de case load al espectro de respuesta 17 Caso de carga Espectro de respuesta 18 Response Spectrum Angle Option C C 15 Case Load Modal El nombre de un caso modal de carga existente para ser utilizada como la base del caso de carga de respuesta de espectro. que es invariante a la dirección. Las propiedades agrietadas se aplica con un nombre de grupo y el análisis se volverá a ejecutar para asegurarse de que las propiedades agrietados sean convergentes dentro de la tolerancia especificada.construaprende. Este artículo sólo es necesario si la categoría de diseño sísmico es B. Especifica si el ángulo de carga en el caso de carga de respuesta de espectro es determinado por el programa o especificados por el usuario. La primera ejecución se considera que es la iteración cero-ésimo. 23 Pushover El desplazamiento se define como la relación de la capacidad / demanda de Target los análisis pushover. Ratio 24 Criterio de Los criterios para determinar la falta del bents Drop> <Pushover curva bents. falla del Bents significa que se determina como el desplazamiento en el que el cortante en la base primera cae desde su máximo absoluto en la curva pushover a un valor 1% inferior a la máxima. Para CQC3 combinación direccional. Esto es típicamente 0.com s s Figura 35.cursos. Este artículo sólo es necesario si la opción de carga de respuesta de espectro caso está definido por el usuario. Este artículo sólo es necesario si la categoría de diseño sísmico es D. El desplazamiento completo por pushover se utiliza si l el cortante en la base no se reduce al 1% desde el máximo.el estribo de inicio y final. 19 Response Ángulo (grados. a partir de ejes globales) de caso de carga de espectro de Spectrum respuesta. Este artículo sólo es necesario si el ángulo de la caja de carga de Angle espectro de respuesta es definido por el usuario. los dos puntos situados en la línea de referencia del objeto puente.construaprende.4 Perform Seismic Design No es necesario hacer un análisis del modelo antes de ejecutar los requerimientos de diseño por sismo. este es el factor de escala se aplica a la función espectro de respuesta en la dirección horizontal segundos.3. 20 Combinacion El tipo de combinación direccional para el análisis de espectro de respuesta. ingresar por el comando Design/Rating > Seismic Design > Run Seismic C C ur ur so so CSICaribe . Este artículo sólo es necesario si la categoría de diseño Displacement sísmico es D.Diseñar ahora C C S SII C C ar ar iib b e e . direccional 21 Directional El factor de escala de dirección. Para la combinación de dirección absoluta.5. Esto sólo es necesario si la categoría de diseño sísmico es D.. 2. Scale Factor este es el factor de escala que se utiliza para las direcciones secundarias cuando se toma la suma absoluta. Esto es típicamente mayor que 0. 22 Grupo para Grupo adicional para la fundación que será considerado en el pushover load la fundacion case. com s C C S SII C C ar ar iib b e e ...cursos.6 Auto Load Cases C ur so Figura 37.Auto Load Patterns 2.Auto Load Cases CSICaribe . Figura 36.2. el participante puede revisar el modelo y los casos de carga que CSiBridge ha generado automáticamente.5 Auto Load Patterns Después de ejecutar el diseño sísmico del puente sísmico.construaprende.
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