E.5.4. DISEO DEFINITIVO DE LA OBRA CIVIL DE LA ESTACION LA MAGDALENA

ANEJO N 06EFECTOS SSMICOSNDICE

11.INTRODUCCIN

2.NORMATIVA DE REFERENCIA22.1.Normativa Ecuatoriana22.2.Normativa Internacional22.2.1.Normativa y bibliografa de referencia Internacional de aplicacin en Ecuador22.2.2.Normativa Internacional general23.CONSIDERACIN DE ACCIN SSMICA33.1.Introduccin33.2.Espectros elsticos de clculo43.3.Requisitos especiales para estructuras de ocupacin especial63.4.Consideracin de sismo en fases provisionales de obra73.5.Clculo de interaccin terreno-estructuras7

ANEJO N 06EFECTOS SSMICOS1. INTRODUCCINEl objeto del presente anejo es exponer las consideraciones relativas a los efectos ssmicos consideradas en el diseo de la estacin La Magdalena de la Lnea 1 de Metro de Quito.

La ciudad de Quito se ubica en un contexto de tectnica activa debido a la subduccin de la placa de Nazca bajo la placa Suramericana. Se trata de una zona de compresin N80E con presencia de fallas activas que confieren a la ciudad un alto potencial ssmico. El riesgo ssmico existente en la ciudad de Quito es de los ms elevados en Ecuador. De hecho, la ciudad de Quito se localiza dentro de la zona Z=V del Mapa de Zonas Ssmicas de Ecuador cuya aceleracin mxima en roca esperada para el sismo de diseo es aMAX = 0.40g. Esta elevada aceleracin ssmica viene amplificada por la mala calidad de los suelos existentes, especialmente en el sector Norte de la ciudad. En este sentido, durante las ltimas dcadas se han realizado en la ciudad de Quito distintas clasificaciones de los suelos en funcin de su riesgo ssmico, tales como se muestra en el siguiente mapa elaborado por EPN et al. (1994).

Los materiales sealados con la letra q corresponden a cenizas volcnicas con formaciones de tobas (cangahua) presentes en el lado Este de la ciudad de Quito. Los materiales sealados con la letra l corresponden a depsitos lacustres pertenecientes a la antigua laguna cuaternaria instalada al Sur, Centro y Norte de la ciudad de Quito, donde se asienta la mayor poblacin de la ciudad. Los materiales sealados con la letra f corresponden a depsitos aluvio-coluviales, tales como conos de deyeccin procedentes de los flancos orientales del Pichincha. Finalmente, el sector no nombrado con ninguna letra y de color blanco corresponde al domo del Panecillo, correspondiente a un edificio volcnico constituido por lavas y piroclastos soldados. De modo concreto, el trazado de la Lnea 1 de Metro afectar fundamentalmente a las unidades l3n, f4, l3s, f3 y l1. Las estructuras subterrneas, como las que compondrn la infraestructura del proyecto que nos ocupa, tienden, en general a comportarse durante los terremotos mejor que las estructuras sobre rasante. Los tneles y las estructuras enterradas estn comprimidas por el terreno que las rodean y, en general, no pueden ser excitadas independientemente del terreno o sufrir una fuerte amplificacin vibratoria, como ocurre en la respuesta inercial de la estructura de los puentes durante los terremotos. Otro factor que contribuye al dao reducido en las estructuras enterradas es que la amplitud del movimiento del terreno debido al sismo tiende a reducirse con la profundidad. De todos modos no hay que perder de vista el adecuado diseo y construccin de estructuras sismo resistentes para moderar el dao ssmico en ellas.

En el comportamiento de una estructura enterrada bajo la accin ssmica influyen tres factores: la propia accin ssmica, las condiciones geolgicas del terreno y el diseo y construccin de la estructura o tnel.Las estructuras subterrneas tienen tres modos primarios de vibracin frente la accin ssmica:

Deformacin de Ovaling/Racking, causada principalmente por las ondas ssmicas propagadas en direccin perpendicular al eje longitudinal del tnel, causando deformaciones en el plano de la seccin transversal del tnel.

Las deformaciones axiales y de curvatura, son inducidas por componentes de las ondas ssmicas que se propagan en la direccin longitudinal del tnel.

2. NORMATIVA DE REFERENCIAPara la consideracin de los efectos ssmicos en el diseo de tneles y estructuras, es necesario seguir la siguiente normativa:

Normativa Ecuatoriana

Norma Ecuatoriana de la Construccin NEC-11 (2011) Captulo 2. Peligro ssmico y requisitos de diseo sismo resistente. Captulo 3. Riesgo ssmico, evaluacin y rehabilitacin de estructuras.

Cdigo de Prctica Ecuatoriano 5: Cdigo Ecuatoriano de la Construccin. (Instituto Ecuatoriano de Normalizacin):

Parte 12 (2001): Requisitos generales de diseo: Peligro ssmico, espectros de diseo y requisitos mnimos de clculos para diseo sismo-resistente.

Gua Popular de Construccin Sismo Resistente (Instituto Ecuatoriano de Normalizacin 1976)

Especificaciones generales para la construccin de caminos y puentes MOP-001-F 2002

Normativa InternacionalNormativa y bibliografa de referencia Internacional de aplicacin en Ecuador

AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (S.I. Units 2007)

Requisitos de Reglamento para Hormign Estructural (ACI 318S-08) Captulo 21: Estructuras sismo resistentes. Technical Manual for Design and Construction of Road Tunnels. Civil elements. FHWA-NHI-10-0.34 2009 Captulo 13: Seismic considerations. Seismic Design of Tunnels. A simple State of the art design approach. Jaw-Nan Wang (1993)Normativa Internacional general

Eurocdigo 8: Disposiciones para el proyecto de estructuras sismorresistentes

NCSP-07 Norma Constructiva Sismorresistente, parte Puentes3. CONSIDERACIN DE ACCIN SSMICAIntroduccin

Para la obtencin de la accin ssmica a considerar en el diseo de los distintos elementos, se ha seguido lo indicado en el Captulo 2-Peligro Ssmico y en el Captulo3-Riesgo ssmico evaluacin y rehabilitacin de la Norma Ecuatoriana de la Construccin (NEC-11) y del Captulo 12 del Cdigo Ecuatoriano de la Construccin. Requisitos Generales de Diseo: Peligro ssmico, espectros de diseo y requisitos mnimo de clculos para diseo sismo resistente (CPE INEN 5).

Para realizar el anlisis ssmico es preciso partir del Sismo de Diseo, que es el terremoto que tiene una probabilidad del 10% de ser excedido en 50aos, equivalente a un periodo de retorno de 475 aos.

A efectos de importancia de la estructura, las estructuras que se proyectan para la Lnea 1 de Quito pueden ser consideradas como de ocupacin especial.

La NEC-11 delimita el territorio de Ecuador en seis zonas ssmicas, caracterizadas por el factor de zona Z segn el siguiente mapa:

En el caso que nos ocupa, la ciudad de Quito se encuentra en la zona V, de amenaza ssmica alta y el valor de su factor Z es 0.40.

Sin embargo, la NEC-11 indica en el apartado 2.5.3. de su Captulo 2, que para el diseo de estructuras de ocupacin especial y para estructuras esenciales, ser necesario utilizar diferentes niveles de terremoto con el fin de verificar el cumplimiento de diferentes niveles de desempeo ssmico. Para definir los diferentes niveles de aceleracin ssmica esperada en roca en la ciudad donde se construir la estructura, se proporcionan las curvas de peligro ssmico probabilista en donde se relaciona el valor de la aceleracin ssmica esperada en roca (PGA) con un nivel de probabilidad anual de excedencia. La figura incluye tambin las curvas de aceleraciones mximas espectrales para perodos estructurales de 0.1, 0.2, 0.5 y 1.0 segundos.

La NEC-11 recoge en el apartado 2.5.4.5. de su Captulo 2, los tipos de perfiles de suelos que podemos encontrar. Se definen seis tipos de perfiles de suelo.

La norma indica que procedimientos hay que seguir para clasificar el perfil del suelo. Esta clasificacin se realizar en el informe geotcnico.

La norma considera que segn el tipo de subsuelo, el espectro elstico de respuesta para diseo en roca se ven amplificadas por unos coeficientes Fa (ordenadas de espectro de respuesta elstico para aceleraciones), Fd (ordenadas espectro de respuesta elstico de desplazamientos) y Fs (considera el comportamiento no lineal de los suelos), tal y como se muestra en las siguientes tablas:

Espectros elsticos de clculo

La NEC-11 recoge en el apartado 2.5.5. de su Captulo 2, los espectros elsticos de respuesta:

-Espectro elstico de diseo en aceleraciones: expresado como fraccin de la aceleracin de la gravedad Sa, para el nivel de sismo de diseo. El espectro es funcin de del factor de zona y de los factores Fa, Fd y Fs. El espectro obedece a una fraccin de amortiguamiento respecto al crtico de 0.05:

Las ecuaciones que definen la ley son:

Donde:

r=1 para tipos de suelo A, B o C y r=1.5 para tipo de suelo D o E

(=2.48 para las provincias de la Sierra

Los lmites para el perodo de vibracin TC y TL se obtienen de las siguientes expresiones:

No obstante, para los perfiles de suelo tipo D y E, los valores de TL se limitarn a un valor mximo de 4 segundos.

Para anlisis dinmico y, nicamente para evaluar la respuesta de los modos de vibracin diferentes al modo fundamental, el valor de Sa debe evaluarse mediante la siguiente expresin, para valores de periodo de vibracin menores a T0:

Si de estudios de microzonificacin ssmica realizados en la ciudad de Quito, se establecen valores de Fa, Fd, Fs y de Sa diferentes a los establecidos en las tablas anteriores, se podrn utilizar los valores de los mencionados estudios, prevaleciendo los indicados en la NEC-11 como requisito mnimo.

-Espectro elstico de diseo en desplazamientos: cuando se requiera la definicin de los desplazamientos espectrales elsticos para diseo correspondiente al nivel de sismo de diseo, se emplear el espectro elstico de diseo de desplazamiento Sd (en metros) definido para una fraccin del amortiguamiento respecto al crtico igual al 0.05. La forma espectral y ecuaciones que definen el espectro de diseo elstico de desplazamientos consideran la respuesta dinmica y efectos de sitio:

La formulacin de la grfica es la siguiente:

Donde los valores de los perodos lmite T0, TC y TL son los mismos que se han definido para el espectro elstico de aceleraciones, aunque, para los perfiles de suelo tipo D y E, los valores de TL se limitarn a un valor mximo de 4 segundos en los espectros de desplazamientoLos espectros aqu mostrados se refieren a la componente horizontal del sismo, la componente vertical del sismo puede definirse mediante el escalamiento de la componente horizontal de la aceleracin por un factor mnimo de 2/3.

En el apartado 2.6.4. del captulo 2 de la NEC-11, se recogen los distintos coeficientes de importancia I segn el uso, destino e importancia de la estructura. El propsito del factor I es incrementar la demanda ssmica de diseo para estructuras, que por sus caractersticas de utilizacin o de importancia deben permanecer operativas o sufrir menores daos durante y despus de la ocurrencia del sismo de diseo. Las estructuras de la lnea objeto del presente proyecto entran dentro del grupo de Estructuras de ocupacin especial y por ello tienen un factor de importancia de 1.3.

Requisitos especiales para estructuras de ocupacin especial

En las estructuras de ocupacin especial, como las que nos ocupan, se debe elevar el nivel de seguridad a fin de procurar que permanezcan operativas o que puedan seguir brindando servicio parcial o total luego de la ocurrencia de un sismo severo.

Las estructuras de ocupacin especial sern diseadas utilizando un nivel de fuerzas ssmicas no menor que el obtenido de la aplicacin del espectro de clculo de aceleraciones para el sismo de diseo, con sus respectivos coeficientes, ni menor que aquellas que resulten de utilizar la aceleracin mxima y las aceleraciones espectrales mximas esperadas en el sitio del emplazamiento de la estructura, obtenidas a partir de las curvas de peligro ssmico, recogida anteriormente, para un periodo de retorno de 475 aos (probabilidad anual de excedencia 0.002) correspondiente a la ciudad de Quito. Para el caso de clculo de fuerzas a partir de la informacin de las curvas de peligro ssmico, dichas fuerzas no requieren ser modificadas por el factor de importancia I.

Para las estructuras catalogadas como de ocupacin especial, adems se deber verificar un correcto desempeo ssmico en el rango inelstico, que impida el colapso de la estructura (nivel de prevencin de colapso) ante un terremoto de 2500 aos de periodo de retorno (probabilidad anual de excedencia 0.0004 en las curvas de peligro ssmico mostradas anteriormente). El valor de la aceleracin se obtendr de las curvas de peligro ssmico de la ciudad de Quito.

Por lo tanto para la comprobacin de cada uno de los elementos estructurales, es necesario realizar dos comprobaciones:

Comprobacin de la estructura bajo la actuacin del sismo de periodo de retorno de 475 aos. Como valor de aceleracin de diseo se considerar el valor psimo entre el obtenido del espectro elstico de aceleraciones (considerando los valores Z e I) y el obtenido de la curva de peligro ssmico de Quito correspondiente al dato del periodo propio de la estructura que se est analizando. Las combinaciones de esfuerzos enpleadas, de acuerdo con lo indicado en el apartado 1.1.6.3. Combinaciones de cargas utilizando el diseo por resistencia del Captulo 1: Cargas y Materiales de la Norma Ecuatoriana de la Construccin:1) 1.2 D+1.0E+L

2) 0.9D+1.0E

Donde:

D = carga permanente

E = carga de sismo

L = sobrecarga

Comprobacin frente a colapso de la estructura bajo la actuacin del sismo de periodo de retorno de 2500 aos. Como valor de aceleracin de diseo se considerar el valor obtenido de la curva de peligro ssmico de Quito correspondiente al dato del periodo propio de la estructura que se est analizando. Las combinaciones de esfuerzos sern las indicadas en apartado 3.2. Anlisis de verificacin del desempeo estructural del Captulo 3: Riesgo Ssmico Evaluacin y Rehabilitacin, para los efectos de la verificacin, las acciones gravitacionales y ssmicas se combinan de manera distinta a la utilizada en el diseo:

1) 1.1(D+0.25L)+1.0E

2) 0.9(D+0.25L)+1.0E

Por otra parte, en la comprobacin frente a colapso, los factores de reduccin de la resistencia tanto de las estructuras de hormign como de acero a considerar sern (=1.0.Consideracin de sismo en fases provisionales de obra

El mtodo de obtencin de las acciones ssmicas recogido en los anteriores es aplicable a la situacin de estructura terminada, sin embargo, para los elementos verticales (pantallas de contorno y pilas) puede ser ms desfavorable la consideracin de la accin ssmica durante la situacin provisional de obra de excavacin mxima de la estacin, antes de la ejecucin de la contrabveda.

La consideracin de la accin ssmica en esa fase no puede realizarse empleando los periodos de retorno considerados para la situacin final ya que dara resultados demasiado conservadores. Para obtener la reduccin, respecto a la consideracin en estructura terminada, en la accin ssmica podemos recurrir a la normativa Europea:

Segn el Eurocdigo 8, la accin ssmica en una situacin transitoria, como lo es en este caso la situacin de excavacin del fondo de la estacin hasta la ejecucin de contrabveda, puede ser tomada como un 30% de la accin de diseo.

Un clculo ms exacto se recoge en la norma espaola IAP. Instruccin sobre la acciones a considerar en el proyecto de puentes de carreteras, durante la fase de construccin, la aceleracin de clculo puede obtenerse multiplicando la aceleracin bsica por el factor 0.3LC0.37, donde LC es la duracin del perodo constructivo en aos.

Si empleamos esta ltima expresin a la aceleracin de clculo y consideramos la hiptesis, conservadora, de que el fondo de la excavacin estuviera abierto seis meses obtenemos que la aceleracin de clculo a considerar sera:

ac_PROVISIONAL=acx0.3x0.50.37=0.23xacClculo de interaccin terreno-estructurasPara el clculo de la interaccin terreno estructura de los distintos elementos de la lnea frente a la accin ssmica se emplea el mtodo paso a paso descrito en el captulo 13 del Manual de Tneles de FHWA-NHI-09-010 de la Federal Highway Administration de EEUU.

Este mtodo parte de la obtencin de la deformacin de campo libre que se obtiene del siguiente modo:

Donde:

Gm=Mdulo de rigidez transversal (kN/m2)

(max= mxima tensin tangencial inducida por el sismo (kN/m2)

(V= presin vertical en el terreno a cota inferior del tnel (kN/m2)

(T= densidad del terreno (kN/m3)

H= altura de relleno de tierras sobre el tnel (m)

D=altura del tnel (m)

Rd= Factor reductor dependiente de la profundidad, se puede estimar a partir de las siguientes expresiones:

Rd= 1.0-0.0076*ZZZ>22.9 m

Rd= 0.744-0.0080*Z22.9>Z>30.5 m

Rd= 0.530.5 m>Z

El proceso paso a paso a seguir para cada una de las secciones transversales segn este mtodo es:

1) Calcular la deformacin de campo libre, (max, segn la siguiente expresin:

Donde:

H=altura de la estructura2) Determinar la rigidez de racking, KS, de la seccin transversal de la estructura mediante el anlisis estructural de un modelo de barras de la misma.

3) Determinar el ratio de flexibilidad, Fr, de la estructura segn la siguiente expresin.

Donde:

W= ancho de la estructura (m)

H= altura de relleno de tierras sobre el tnel (m)

Gm=Mdulo de rigidez transversal (kN/m2)

KS= rigidez de racking de la estructura (kN/m)

4) A partir del ratio de flexibilidad obtenido en el apartado anterior se obtiene el coeficiente de racking, Rr, de la estructura. Este coeficiente es la relacin entre la distorsin de la estructura embebida en el suelo, (s, y la distorsin del terreno en campo libre:

Los valores del coeficiente de racking se obtienen a partir de las expresiones de Wang (1993):

Para condicin de no deslizamiento entre muro y terreno:

Para condicin de deslizamiento entre muro y terreno:

5) Determinar la deformacin de racking, (s, de la estructura a partir de la siguiente expresin:

6) La accin ssmica en trminos de esfuerzos y deformaciones son calculados imponiendo (s en el prtico de la estructura mediante una ley de presiones triangular del siguiente modo:

ANEJO N 06. EFECTOS SSMICOS

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