Análisis Sísmico en Puentes usando CSiBridge-web.pdf

7/16/2019 Anlisis Ssmico en Puentes usando CSiBridge-web.pdf

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Anlisis Ssmico en Puentes usando CSiBridge

Resumen:

El participante al final del curso podr realizar de manera automtica el anlisis y diseo ssmico,

herramienta que trae el programa CSiBridge; evaluando la respuesta al espectro de diseo y podr

hacer el anlisis pushover. Adems, el programa CSiBridge determinar los el ratio de

desplazamientos de demanda vs la capacidad (D/C), para un Sistema de Resistencia Ssmica (ERS)

Este curso lo dedicaremos a desarrollarlo en 8 pasos:

1. Crear el Modelo del Puente; (se le alcanzara el modelo en un archivo cdb).2. Evaluar el riesgo ssmico del movimiento de suelo y su respectiva amplificacin en

aceleracin (PGA) y la solicitud de diseo ssmico requerida.3. Completar el anlisis de la carga muerta y evaluar las propiedades de seccin fisurada de

las secciones a evaluar.4. Identificar el espectro de respuesta y los desplazamientos de la demanda por sismo.

5. Determinar las propiedades plsticas de las rotulas y asignarlas a los elementos a evaluar.6. Anlisis Automatizado por desplazamiento.7. Evaluar la relacin entre demanda / capacidad (D/C).8. Resultados de la revisin y crear un informe.

Figura 1.- Esquema general

CSICaribe - cursos.construaprende.com

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PASO 1Crear el Modelo de Puente1.1 Ejemplo Modelo (archivo adjunto)

En este captulo se describe el primer paso en el proceso a realizar; para completar el anlisis

ssmico de un puente con CSiBridge. Se asume que el participante est familiarizado con losrequisitos establecidos en el programa relacionado con la creacin de un Bridge Object.

El modelo de este ejemplo en CSiBridge ser el que a lo largo de este tema desarrollaremos, estoy

incluyendo todos los parmetros de entrada, para que lo pueda desarrollar de manera individual.

Figura 2.- Modelo final (archivo adjunto)

Como se describe en las especificaciones de la Gua AASHTO LRFD para anlisis y diseo ssmico enpuentes, la estrategia de diseo ssmico de este puente es del TIPO 1, disear de manera dctilla subestructura con una superestructura esencialmente elstico (1.3.3 D uctilidad G uaAASHTO LRFD).Esto implica que el diseo debe incluir la asignacin de rotulas plsticas con las caractersticas dedegradacin para las columnas.

1.2 Descripcin del Modelo a desarrollar

Se trata de un puente con tres vanos de hormign armado y tablero con vigas AASHTO I; las

caractersticas son:

Pilotes: el dimetro de los pilotes es 0.36m; la funda es de acero con rellenos de hormign. El

hormign 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 estn conectados monolticamente a una zapata

de hormign que est 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).


2.- Mo

ificacioiseo

s


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Bents: hay dos Bents interiores con tres columnas de soporte cuyo dimetro es 0.90m.

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 0.20m; y una superficie de desgaste (35 libras por pie cuadrado).

El ancho del deck es 11.80m medido desde de borde a borde del deck.

Span: la longitud de los claros es de 20m cada uno.

Los Estribos se supone que es libre tanto en la direccin longitudinal y transversal, para efecto del

anlisis ssmico y evaluar la condicin ms desfavorable en los Bents.

Figura 3.- Elevacin del Modelo del Puente

Figura 4.- Vista en Planta


ura 3.-.


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Figura 5.- Elevacin Frontal del Bents

1.3 Bridge Layout Line

Seleccionar una hoja en blanco

Figura 6.- seleccionar hoja de inicio en blancoEl modelo del ejemplo tiene tres claros de aproximadamente 20m cada uno. La disposicin

la lnea de diseo se define mediante el comando Layout > Layout Line > New; Figura 7

El trazado de la lnea es recta, sin variacin en la elevacin. La longitud real de la lnea de diseo es

59 metros.


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c


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Figura 7.- Bridge Layout Line Data

1.4 Secciones de la Sub estructura

Cuatro propiedades de seccin tipo FRAME usaremos en el modelo. Los cuatro tipos de elementos

son:

1.4.1 Bent Cap Beam

Figura 8.- Geometra de la viga cabezal del BentEn el cap 5, asignaremos las propiedades avanzadas al material, con propiedades no

lineales.


s

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1.4.2 Bent Column Properties

Las columnas se define mediante la opcin Section Designer; ingresar la informacin segnlas propiedades geomtricas como se muestra en la figura 9; Components > Type > FrameProperties > New > Other > Section Designer

Figura 9.- Data de las Columnas circulares del BentsEn el cap 5, asignaremos las propiedades avanzadas al material, con propiedades no

lineales.

1.4.3 I-Girder Properties

Definir la viga prefabricada segn se indica en la figura 10

Figura 10.- Precast I-Girder Properties


so

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ricada

Colum


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1.4.4 Propiedades de los pilotes

El dimetro de los pilotes es 0.36m y sern 06 pilotes verticales por cada base de pilotes;

con acero longitudinal #9; (Components > Type > Frame Properties > New > Concrete >

Circular.

Figura 11.- Propiedades del piloteLa funda de acero que confina al pilote aumentando la rigidez a la flexion de la seccin en

sus componentes 2-2 y 3-3; por lo tanto debemos modificar los factores para conseguir

este efecto en muestro modelo; el factor es de 2.30; (Momento de segundo orden

asociado a la flexin, unidad cm4)

Figura 12.- Modificadores para el momento de inercia de la seccin final


r lo todelo;

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Los pilotes son agregados al Bridge Model como un sistema en cantilver equivalente

(descrito en la seccin 1.8) usando este mtodo, el pilote es reemplazado por una viga con

propiedades de rigidez equivalente a la del pilote interactuando con el suelo circundante.

1.5 Bridge Deck Section

La seccin del deck es de: 12.40m de ancho con un total de cinco I-vigas, como se muestra en lafigura 1-10

Figura 13.- Seccin del Deck(Components > Superstructure Type > Deck Section > New)

Los parapetos, as como la superficie de desgaste no son parte de la definicin del deck, esto ser

asignado al modelo como superpuestas cargas muertas (Wearing Surface).

1.6 Bent Data

Los Bents para este modelo esta conformado por una viga cabezal (Cap_Beam) cuya longitud es de11.80m, en la figura 14 se muestra el ingreso de data para las columnas que conforman el Bent.

Figura 14.- Data del Bent (parte 1)


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Figura 15.- Data del Bent (parte 2)

1.7 Definicin del Objeto Puente (Bridge Object Data)

Data del Objeto Puente (haga clic en Bridge > B ridge O bject > N ew) utiliza para definir la

ubicacin y las asignaciones de los Abutments y Bearings. La respuesta ssmica del modelo de

puente depender del Earthquake Resisting System (ERS). El participante puede definir los tipos o

condiciones de soporte o vinculacion en el Abutments como en el Bent. Por lo tanto el ERS

depender del tipo de soporte o vinculacin que se est usado en los Abutments (estribos), Bents

(apoyos intermedios) asi como de las propiedades del Bearing (soporte o vinculacin) que se

asignen en cada elemento descrito anteriormente.

Si una vinculacin (Bearing) tiene restriccin DOF (grados de libertad), entonces proveer una

carga en la direccin prescrita que actuara en el puente como parte del ERS.

Figura 16.- Definir los claros y asignar el deck a cada vano


riormrestric

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ERS). El

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Observacin.- Los estribos (Abutments) pueden definirse usando como soporte los Bents; en este

modelo no usaremos esta caracterstica.

1.7.1 Abutment Property Assignments

Los Estribos (Abutment) son asignados al inicio y al final de cada estacin, usando el

comando del Bridge Object from shown, como se muestra en la figura 17 (Bridge > BridgeObject > Supports > Abutments).

Figura 17.- Lnea de comando para asignar los Abutment, inicial y final.

El bearing que vincula al Abutment puede tener un angulo de sesgo segn sea necesario;diafragma rigidos tambin pueden ser asignados a los Abutments; asi como laspropiedades del bent podrn usarse como apoyo en los estribos (Abutment)

Figura 18.- Opcin para asignar como subestructura en los Abutment las propiedades del Bent


entpuede

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La ubicacin de la subestructura es fundamental en la creacin del modelo ya que elprograma CSiBridge toma en cuenta la cinemtica entre la superestructura y lasubestructura.Los extremos del deck del puente tendrn una tendencia a girar debido a la carga de lagravedad. Si los apoyos estuvieran restringidos para la traslacin en ambos extremos deun puente, las reacciones externas sobre los apoyos y los momentos del deck podran serinducidas como resultado por estas restricciones. El valor del empuje hacia el exterior y elmomento en el deck estn en funcin de la cantidad de rotacin y de la distancia medidadesde el eje neutro del deck a la parte superior de la vinculacin del abutment.Por lo tanto, el participante debe prestar especial atencin a las elevaciones de lasubestructura y de los bearing, as como las propiedades de restriccin de dichos bearing.El participante tambin debe tener en cuenta que la resistencia por fuerza ssmicadepender de las propiedades de restriccin de los bearing en los apoyos de los bents y losabutments.Para este modelo, slo se considerara fijo la traslacin vertical (U1) en los apoyos de losabutment, todos los otros componentes de este apoyo quedaran libre, se supone que enestos apoyos no hay restriccin en la direccin longitudinal y transversal. Figura 19

Figura 19.- Bearing libre, solo restriccin vertical

Para ayudar a visualizar la geometra del estribo (Abutment), en la figura 20 se muestra losvalores de este modelo; para definir la ubicacin del bearing del Abutment y lasubestructura. Tambin hay que sealar que el programa CSiBridge incluyeautomticamente un link BFXSS rgido cuando se actualiza la informacin ingresada.

1.7.2 Abutment Geometry

En la figura 20 tambin se muestra la ubicacin del nudo de accin BRG1. Este es el lugares donde se evala el desplazamiento o giro en funcin de las propiedades del apoyo.


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Figura 20.- Esquema geomtrico del estribo

Figura 21.- Asignacin y ubicacin de los abutments

1.7.3 Bent Property Assignments

Las propiedades del Bents son asignadas al Bridge Object desde: (Bridge > Bridge Object >Supports >Bents). Similar a la asignacion del Abutment

Figura 22.- Asignacin y ubicacion de los bents


.- Asign

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1.7.4 Bent Geometry

En la figura 23 se muestra la elevacin del bent interactuando con la superestructura.

Figura 23.- Geometria en elevacin del BentObserve que el link BRG2 conecta la vinculacin (bearing fijo) al centro geomtrico delcap_beam; el nudo de conexin donde acta el link BRG2 es en la elevacin -1.24m.

1.8 Definicin del Pilote Equivalente

Aunque no es necesario incluir elementos explcitos de la cimentacin ( en este modelo se podrausar como restricciones fijas, empotradas o parcialmente fija en la base de las columnas), stosfueron incluidos como parte del modelo a desarrollar.Las fundaciones pueden ser modeladas de muchas maneras. Por ejemplo a travs de los Pilotesequivalentes en longitud; es decir utilizando una longitud equivalente de 1.55 metros para simular

la accin del suelo alrededor de la fundacin, como se describe en la Seccin 1.4.4.Las longitudes equivalentes se establecieron usando las ecuaciones siguientes; figura 24

Figura 24.- Propiedades equivalentes para la fundacin


a deas de

utilizan

la fundse estab

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1.9 Modelo de la fundacin del Bent

Dibujar la base de los pilotes en un plano a 60cm por debajo de la base de las columnas; (laelevacin de la base de columna es Z=-9.80m y el plano eje de zapatas estar en Z=-10.40m)

Figura 25.- Ubicacin del plano Z=-9.8m

Figura 26.- Dibujar los nudos que conformaran la zapata en un plano ubicado a 0.60m por debajodel plano anterior esto es en Z=-10.40m


plano Z


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Figura 27.- Dibujar las zapatas segn los datos mostrados en el plano Z=-10.40m

Figura 28.- Geometra de la Zapata, Cap_Pile; asignar restriccin al apoyo de los pilotes



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Figura 29.- Modelo final en 3D

1.10 Fuente de Masa

Se utiliza para definir la fuente de masa y las cargas que se incluyen en el anlisis modal y delespectro de respuesta la carga de los casos. En este ejemplo, el peso combinado de la estructura yel peso de la superficie de desgaste estimada en 0.11 tn/m2 que corresponde al peso especificodel asfalto por el espesor de la carpeta de desgaste, aadiremos un nuevo patrn de cargaWearing Surface (SD)

Figura 30.- Definir y Asignar superficie de desgaste a la superestructura


os

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Figura 31.- Definir la fuente de donde se tomara la masa; del peso de la estructura y de la cargaimpuesta en el deck (SD)


ursos

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PASO 22.1 Definicin del Espectro de DiseoResumen

El espectro de respuesta puede ingresarse con la definicin de la ubicacin del puente encoordenadas de latitud y longitud o con el cdigo postal de zona (esto solo esta aplica a los 52

estados americanos). Como una alternativa, el participante puede introducir cualquier respuestadefinida a travs de un archivo txt de datos del espectro.

Los efectos de sitio (clasificaciones de suelos in situ), tambin se consideran y son parte de losdatos de entrada del participante.

2.2 AASHTO and USGS Mapas de Peligro Ssmico

La norma aprobada en el 2010 de la Guia AASHTO especificaciones por LRFD Seismic Bridge Designincorpora mapas de riesgo ssmico sobre una base de un perodo de retorno de 1,000 aos.

Cuando el usuario define la ubicacin del puente por latitud y longitud, CSiBridge crea la curva de

respuesta de espectro apropiado de la siguiente manera:

Figura 32.- Mapa de peligro ssmico o curva de peligro para determinar el PGA


ud,


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Con los datos ssmicos del lugar as como del estudio de suelos, podemos ingresar los valores paradefinir nuestro espectro de respuesta.

Figura 33.- Espectro de respuesta de speudo aceleracin vs periodos

2.3 Requerimiento al Diseo Ssmico

A travs del comando: Design/Rating > Seismic Design > Design Request >Add New Requestpodr agregar la solicitud de diseo requerida como se muestra en la figura 34

Figura 34.- Ventanas de dialogo para un nuevo requerimiento de diseo.


ueridr

speudo

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Descripcin de los parmetros:

ITEM DESCRIPCION DEL PARAMETRO DE REQUERIMIENTO

01 Funcin delespectro deRespuestaHorizontal

Usar el espectro de respuesta definido en la seccin anterior para unadeterminada respuesta ssmica, para sismos que predominan en accinhorizontal

02 Funcin delespectro deRespuestaVertical

Opcional para evaluar respuesta vertical por sismo, en nuestro caso notenemos un espectro con respuesta vertical, no lo usaremos.

03 Opcin parala categora desismo (SDC)

Especifica si la categora de diseo ssmico es determinado por el programa oespecificados por el participante. Si el programa determinado por la categorade diseo ssmico este calcula automticamente a partir de la funcin derespuesta de espectro

04 Categora deDiseo Ssmico

Categora de diseo ssmico lo determina por el programa o puede serespecificado por el participante; tenemos 4 categoras y usaremos la D, quenos permite encontrar el ratio de demanda vs capacidad.

05 Factor dedemanda dedesplazamientopara los Bent

Este factor de escala multiplica el desplazamiento demandado de los Bentsobtenida del anlisis de respuesta del espectro. Este factor se puede utilizarpara modificar el desplazamiento debido a que la amortiguacin no sea del5%, o para ampliar la demanda de estructuras en perodos cortos. Este factorse aplica a todas los Bents en ambas direcciones longitudinal y transversal.

06 Opcion paracaso de cargasde Gravedad

Especifica si el caso de carga por gravedad es determinado por el programa oespecificados por el participante. El caso de carga por gravedad se utiliza paraestablecer las condiciones iniciales en el anlisis de la demanda y la capacidad.Si el programa lo genera, un caso de gravedad de la carga no lineal se creaautomticamente utilizando toda la estructura o solo el objeto puente que sedefina por grupos de diseo opcional. El participante puede especificar si

desea o no calcular automticamente las propiedades agrietadas de lascolumnas del Bents y si se incluye o no los efectos P-delta. Incluirautomticamente todos los patrones de carga ya seas Dead y Wearing Surfaceespecificados. Si es definido por el participante, un caso existente lineal o nolineal de carga esttica o dinmica debe ser seleccionada. Las propiedadesagrietados de la seccin no se calculan automticamente en este caso.

07 Caso decarga degravedad

El nombre de un caso de gravedad de la carga existente para ser utilizadoscomo condiciones iniciales para el anlisis de la demanda y la capacidad. Estecaso puede ser lineal o no lineal, esttico o dinmico, y puede incluir laconstruccin por etapas. El participante debe seleccionar la carga que debenincluirse, y las propiedades agrietada (si se desea) debe tenerse en cuenta.

08 GrupoAdicional

Un grupo adicional opcional que se incluirn en el caso de carga por gravedad.Este artculo slo es necesario cuando el caso es el programa de carga degravedad determinado y en funcin del objeto de esta solicitud puente dediseo. Puede incluir pilotes y otras estructuras auxiliares.

09 Incluye P-Delta

Especifica si se va a considerar efectos P-Delta en el programa determinadopor caso de carga por gravedad.

10 Opcion depeopiedadesagrietadas

Especifica si las propiedades agrietadas de las columnas del Bents sedeterminan por el programa o especificados por el usuario. Si el programa lodetermina, el caso de carga de gravedad de manera automtica se llevar a


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cabo de forma iterativa. La Section Designer usar la fuerza axial calculada enla parte superior e inferior en la columna para determinar los momentos deinercia en secciones agrietados en las direcciones positiva y negativatransversales y longitudinales. Las propiedades agrietadas se aplica con unnombre de grupo y el anlisis se volver a ejecutar para asegurarse de que laspropiedades agrietados sean convergentes dentro de la toleranciaespecificada.

11 Toleranciadeconvergencia

La tolerancia de convergencia con respecto a la seccin agrietada depropiedad de la columna del bents por iteracin. Este artculo slo esnecesario cuando el clculo propiedades agrietada es determinado por elprograma.

12 Maximonumero deiteraciones

El nmero mximo de iteraciones permitidas para las secciones agrietada-propiedad iteracin. La primera ejecucin se considera que es la iteracincero-simo. Por lo general, slo una iteracin es necesaria. Este artculo sloes necesario cuando el clculo de propiedades agrietadas es determinado porel programa.

13 Accept

UnconvergedResultsConvergence

Especifica si el diseo ssmico debe continuar si la seccin agrietada de por

iteracin no converge. Este artculo slo es necesario cuando el clculo depropiedades agrietada lo determinada el programa.

14 Opcion CaseLoad Modal

Especifica si el caso de carga modal es determinado por el programa oespecificados por el participante. El caso de carga modal se utiliza como labase del caso de carga de respuesta de espectro que representa el diseossmico. Si el programa lo determina, en este caso de carga modal utilizara larigidez en el extremo del caso de carga por gravedad no lineal, de lo contrariose utilizara la rigidez cero a las condiciones iniciales. Si es definido por elparticipante, el usuario puede controlar la rigidez inicial, eigenvectores vs Ritz,y otros parmetros modales. Este artculo slo es necesario si la categora de

diseo ssmico es B, C o D.

15 Case LoadModal

El nombre de un caso modal de carga existente para ser utilizada como labase del caso de carga de respuesta de espectro. Este artculo slo esnecesario si la opcin de caso de carga modal est definida por el usuario.

16 Opcion decase load alespectro derespuesta

Especifica si el caso de carga de respuesta de espectro es determinado por elprograma o especificados por el usuario. El caso de carga de respuesta deespectro representa la demanda ssmica. Si el programa lo determina, en estecaso de carga se utilizara el espectro de respuesta dada la funcin y el caso decarga modal. Aceleracin de la carga se aplica en las direcciones longitudinal ytransversal del objeto puente, y combinado con el 100% + 30%. Si definido porel usuario, el usuario puede controlar la carga o seleccionar el mtodo de

combinacin SRSS direccional, que es invariante a la direccin. Este artculoslo es necesario si la categora de diseo ssmico es B, C o D.

17 Caso decarga Espectrode respuesta

El nombre de un caso de carga existente de respuesta de espectro querepresenta la demanda ssmica. Este artculo slo es necesario si la opcin decarga de respuesta de espectro caso est definido por el usuario.

18 ResponseSpectrum AngleOption

Especifica si el ngulo de carga en el caso de carga de respuesta de espectroes determinado por el programa o especificados por el usuario. Si el programalo determina, la direccin longitudinal (U1) direccin de carga es elegido para


cario pu

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el estribo de inicio y final, los dos puntos situados en la lnea de referencia delobjeto puente. Este artculo slo es necesario si la opcin de carga derespuesta de espectro caso est definido por el usuario.

19 ResponseSpectrumAngle

ngulo (grados, a partir de ejes globales) de caso de carga de espectro derespuesta. Este artculo slo es necesario si el ngulo de la caja de carga deespectro de respuesta es definido por el usuario.

20 Combinaciondireccional

El tipo de combinacin direccional para el anlisis de espectro de respuesta.

21 DirectionalScale Factor

El factor de escala de direccin. Para la combinacin de direccin absoluta,este es el factor de escala que se utiliza para las direcciones secundariascuando se toma la suma absoluta. Esto es tpicamente 0,3.Para CQC3 combinacin direccional, este es el factor de escala se aplica a lafuncin espectro de respuesta en la direccin horizontal segundos. Esto estpicamente mayor que 0,5.

22 Grupo parala fundacion

Grupo adicional para la fundacin que ser considerado en el pushover loadcase. Este artculo slo es necesario si la categora de diseo ssmico es D.

23 Pushover

TargetDisplacementRatio

El desplazamiento se define como la relacin de la capacidad / demanda de

los anlisis pushover. Este artculo slo es necesario si la categora de diseossmico es D.

24 Criterio defalla del Bents

Los criterios para determinar la falta del bents. Drop> Seismic Design > Run Seismic

Figura 35.- Disear ahora


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2.5 Auto Load Patterns

Despus de ejecutar el diseo ssmico del puente ssmico, el participante puede revisar el modeloy los casos de carga que CSiBridge ha generado automticamente.

Figura 36.- Auto Load Patterns

2.6 Auto Load Cases

Figura 37.- Auto Load Cases

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