Diseño sismico presas
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Diseño Sísmico de Presas de Tierra y Enrocado

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    Diseño sismico presas Diseño sismico presas Presentation Transcript

    • UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERU CURSO: ACTUALIZACION PROFESIONAL DINAMICA DE SUELOS DISEÑO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO Jorge E. Alva Hurtado Miguel Infantes QuijanoCENTRO 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
    • INTRODUCCION Se ha alcanzado un notable progreso en el entendimiento del comportamiento de las presas de tierra y enrocado sometidas a la acción sísmica.- Métodos analíticos para calcular la respuesta dinámica de presas.- Ensayos dinámicos para determinar las propiedades del suelo bajo carga sísmica.- Métodos de diseño para evaluar la estabilidad sísmica y el potencial de deformación debido a sismos
    • COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismos moderados, con aceleraciones máximas de 0.2 g, sin daños.2) Presas de material arcilloso con cimentación arcillosa o rocosa pueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 y aceleraciones máximas de 0.35 a 0.8 g, sin daños aparentes.3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secas y son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, con solamente pequeñas deformaciones.4) El diseño sísmico debe concentrarse en las presas que pueden sufrir daños por sismos severos o tienen cuerpos granulares saturados que pueden perder resistencia durante sismos, ocasionando movimientos.5) El análisis dinámico se emplea en presas de material granular, saturado y suelto a medianamente denso, sometidas a sismo fuerte o sobre cimentación del mismo tipo. En estos casos se incrementa la presión de poros durante el sismo, generándose pérdida de resistencia. El método pseudo-estático no es aplicable.
    • ANALISIS PSEUDO-ESTATICO- Se utiliza el método de equilibrio límite para el análisis de estabilidad de taludes, adicionando un coeficiente sísmico.- El coeficiente lateral sísmico es semiempírico, que depende de la sismicidad del país.- Ruesta, Díaz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficiente lateral sísmico para presas de tierra y enrocado en el Perú. Los valores propuestos son consistentes con las presas de tierra y enrocado diseñadas y construidas en el Perú y el mundo.- El análisis de estabilidad pseudo-estático sirve además para determinar la aceleración de fluencia ky que se emplea en el método simplificado de deformaciones inducidas.- En una presa de tierra el análisis de estabilidad de taludes se realiza típicamente para alcanzar los siguientes factores de seguridad. 1) Final de construcción + sismo FS > 1.0 2) Infiltración constante + sismo FS > 1.25 3) Desembalse rápido + sismo FS > 1.0
    • DISEÑO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERU (Ruesta, Díaz y Alva, 1988) UBICACION EMBALSE COTA ALTURA SECCION MAXIMA METODO AÑO ESTADO PRESA TIPO Departemento Latitud UTIL CORONAC. MAX TALUD PROMEDIO DIMENSIONES (m) DE COEF. EST. ACTUAL Longit. 106xM3 M.S.N.M. (M) Aguas Aguas Corona Base Long. ANALISIS SISMICO Arriba Abajo Crest. Tierra 4° 40’ Por defor- POECHOS Piura 830 108 48 1:2.25 1:2.25 8 240 600 * 1971 Construida Zonificada mación 8° 30’ Tierra Lambayeque 6° 40’ TINAJONES Zonificada 300 216 37 1:3.0 1:2.5 9 250 2440 Fellenius 0.25 1965 Construida 79° 25’ GALLITO Tierra Cajamarca 7° 14’ Bishop Zonificada 400 412 102 1:2.35 1:2.25 15 527 782 0.15 1975 Construida CIEGO 79° 15’ Krey Tierra Ancash 10° 00’ Bishop EstudioPISHCAPACCHA 45 4157 50 1:1.8 1:1.75 8 220 425 0.10 1985 Zonificada 77° 10’ concluido Tierra Ancash 10° 10’ Análisis Estudio RECRETA 267 4021 48 1:3.5 1:3 12 280 2900 * 1982 Zonificada 77° 20’ Dinámico concluido Tierra 11° 45’ Deform. YURACMAYO Zonificada Lima 44 4318 53 1:2.5 1:2 8 300 580 Inducidas * 1984 Construida 76° 15’ Tierra 14° 55’ Bishop En ANCASCOCHA Zonificada Ayacucho 65 3430 40 1:2.5 1:2 10 215 174 0.12 1984 construcción 73° 50’ Quad-4 Enrocado 14° 30’ Deform. 49 1:1.5 1:1.5 9 En IRURO pantalla de Ayacucho 59 4065 173 383 Inducidas * 1982 construcción 74° 15’ concreto Tierra 15° 25’ CONDOROMA Zonificada Arequipa 200 4121 92 1:2.5 1:2.25 12 400 510 Fellenius 0.20 1967 Construida 71° 20’ Enrocado 16° 15’ Cuña Des- AGUADA 3671 1:1.7 5 160 70 1972 Construida pantalla de Arequipa 71° 20’ 43 45 1:1.7 lizante 0.15 BLANCA acero Tierra 16° 10’ Bishop Estudio CHIHUANE Puno 237 3880 25 1:2 1:1.75 8 120 177 0.15 1986 concluido Zonificada 69° 50’ PASTO Tierra Moquegua 16° 40’ Bishop 145 4525 1:2.3 3.5 44 180 0.20 1987 Construida GRANDE Zonificada 10 1:2 Modificado 70° 35’ Tierra Tacna 17° 22’ Fellenius JARUMA 69° 57’ 9 4498 22 1:2.5 1:2 8 109 130 0.15 1980 Construida Zonificada Tierra Tacna 17° 40’ PAUCARANI 5 4543 24 1:2 1:2 8 100 130 Fellenius 0.15 1978 Construida Zonificada 69° 50’
    • ECUADOR COLOMBIA III III BRASIL IIOCEANO IIIPACIFICO I I COEFICIENTE SISMICO PROPUESTO PARA PRESAS PEQUEÑAS Y MEDIANAS RUESTA, ET AL (1988) PRESAS DE PRESAS DE BOLIVIAZONA TIERRA ENROCADO I 0.15 - 0.25 0.10 - 0.20 II 0.10 - 0.15 0.05 - 0.10 III 0.05 - 0.10 0.05 CHILE
    • METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS- La deformación permanente se emplea como criterio de diseño.- Método racional simple, se aplica a presas constituídas por suelos arcillosos compactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollo de presión de poros, deformaciones pequeñas, el material retiene su resistencia estática.- Se basa en el cálculo de deformaciones permanentes, con la evaluación de respuesta dinámica.- La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida con comportamiento elástico hasta la falla y luego comportamiento perfectamente plástico.- Propuesto originalmente por Newmark y modificado por Makdisi y Seed.1) Determine la aceleración de fluencia, la que produce FS = 1.0.2) Determine las aceleraciones producidas por el sismo en la presa por respuesta dinámica. Se utiliza el método de elementos finitos o vigas de corte. Tiempo- historia de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla.3) Cuando la aceleración inducida excede la calculada, ocurrirán movimientos; la magnitud se evalúa con doble integración. El método 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 Método de Elementos 0.2 Finitos “Viga de Corte” (rango de todos 0.4 los datos) y/h 0.6 Promedio de 0.8 todos los datos 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 kmax / ümax
    • VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PERMANENTE VARIACION DE DESPLAZAMIENTO NORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIA PROMEDIO NORMALIZADO CON RESUMEN DE DATOS ACELERACION DE FLUENCIA 10 10 M~8 ¼ M~8 1/4 M~7 ½ 1 1 7 1/2U/k max gTo - Segundos U/k max gTo - Segundos 6 1/2 0.1 0.1 M~6½ 0.001 0.01 0.001 0.001 0.001 0.0001 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ky / kmax ky / kmax
    • ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO • Evaluación de Esfuerzo Estáticos • Análisis de Respuesta Sísmica • 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 cúbicos, longitud de coronación de 770 metros y altura de 95 metros.• Coeficiente lateral sísmico = 0.20.• Sismo de diseño con aceleración máxima de 0.38g y magnitud de Richter de 7.5 para un período de retorno de 500 años.• Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974.• Parámetros conservadores de resistencia cortante de los materiales y modelo hiperbólico esfuerzo-deformación.• Parámetros dinámicos de la literatura.
    • SECCIÓN TRANSVERSAL DE LA PRESA PALO REDONDO 12.00 m 345.00 m.s.n.m. (Nivel de Coronamiento) 341.00 m.s.n.m. (NAMO) Material de Transición 1.75 1 1.50 1 1 Bloque Estabilizador Pantalla de Concreto 1 Material del Cuerpo de Presa250.00 m.s.n.m.(Terreno Natural) Material de Cimentación 20.00 m
    • ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ESTÁTICO TALUD AGUAS ARRIBA (EOC) PROGRAMA : SLOPE/W MÉTODO : BISHOP FACTOR DE SEGURIDAD : 1.53 Materiales γ (KN/m³) φ (°) C(KPa) Material de Cimentación 21 36 0 Material del Cuerpo de Presa 21 38 0 Bloque Estabilizador 22 42 0 360 Material de Transición 20 36 0 340 320Cota (m.s.n.m.) 300 280 260 240 220 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Distancia (m)
    • ANÁLISIS DE ESTABILIDAD ESTÁTICO TALUD AGUAS ABAJO (EOC) PROGRAMA : SLOPE/W MÉTODO : BISHOP FACTOR DE SEGURIDAD : 1.44 Materiales γ (KN/m³) φ (°) C(KPa) Material de Cimentación 21 36 0 Material del Cuerpo de Presa 21 38 0 Bloque Estabilizador 22 42 0 360 Material de Transición 20 36 0 340 320Cota (m.s.n.m.) 300 280 260 240 220 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Distancia (m)
    • ANÁLISIS DINÁMICO DE RESPUESTA SÍSMICA - MÉTODOS UNIDIMENSIONALES - MÉTODOS BIDIMENSIONALES - PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS
    • MÓDULO CORTANTE PARA GRAVAS (Seed et. al., 1984) 1.0Módulo cortante a def. cortante γ Módulo cortante máximo 0.8 0.6 Rango de valores 0.4 0.2 0 10-4 10-3 10-2 10-1 1 Deformación Cortante, γ (%)
    • AMORTIGUAMIENTO DE GRAVAS (Seed et al., 1984) 24 Datos para gravas y suelos gravosos Valores promedio para arenas 20Razón de Amortiguamiento (%) Límite superior e inferior para arenas 16 12 8 4 0 -4 10 10-3 10 -2 10-1 1 Deformación Cortante, γ (%)
    • ACELEROGRAMA DEL SISMO DE LIMA-PERÚ 10/74 COMP. N 82° W 0.40 0.20Aceleración (g) 0.00 -0.20 ümax = 0.38 g -0.40 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (s)
    • ESPECTRO DE RESPUESTA NORMALIZADO DE ACELERACIONES HORIZONTALES SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W 3.00 5% 10% 2.50 15% 20% 2.00Acel. Espectral Acel. Máxima 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)
    • ANÁLISIS BIDIMENSIONAL DE RESPUESTA SÍSMICA- Análisis Estático de Esfuerzo-Deformación- Análisis Dinámico
    • MALLA DE ELEMENTOS FINITOS PRESA PALO REDONDOY X
    • PARÁMETROS HIPERBÓLICOS DE LOS MATERIALES DE LA PRESA PALO REDONDO Parámetro Cimentación Cuerpo de Bloque Material de Presa Estabilizador Transición γ (KN/m³) 21.00 21.00 22.00 20.00 γsat (KN/m³) 22.00 22.00 23.00 21.00 Ko 0.50 0.80 0.80 0.80 K 500 550 600 500 Kur 600 660 720 600 n 0.70 0.80 0.80 0.70 Rf 0.70 0.70 0.70 0.70 Kb 800 1000 1200 800 m 0.30 0.30 0.30 0.30 c (KN/m²) 0.00 0.00 0.00 0.00 φ(°) 36 38 42 36 ∆φ (°) 0 0 0 0
    • ESFUERZOS CORTANTES ESTÁTICOS PROGRAMA : FEADAM84 τ 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 MÁXIMOSSISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W PROGRAMA : QUAD4M τ 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 MÁXIMASSISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W PROGRAMA : QUAD4M Aceler. 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
    • GEOSOFTPrograma de Análisis Estático y Dinámico de Estructuras Geotécnicas Desarrollado en el CISMID - FIC - UNI Principales implementaciones efectuadas en el Programa : Trabaja bajo entorno WINDOWS Modelo lineal equivalente para el análisis lineal Criterios para la evaluación de módulos dinámicos Curvas de propiedades proporcionadas por el usuario Métodos de Wilson θ Newmark de integración en el tiempo Matriz de masa consistente y concentradas Amortiguamiento variable Bordes viscosos Generación de archivo neutro
    • COMPARACIÓN DE ACELEROGRAMAS CALCULADOS EN LA CRESTA CON PROGRAMAS BIDIMENSIONALES SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W 0.80 Aceleración (g) Acelerograma 0.40Calculado en la Cresta 0.00PROGRAMA : GEOSOFT -0.40 ümax = 0.60 g -0.80 0.80 Aceleración (g) 0.40 AcelerogramaCalculado en la Cresta 0.00 PROGRAMA : QUAD4M -0.40 ümax = 0.66 g -0.80 0.80 Aceleración (g) 0.40 Acelerograma en la Base Rocosa 0.00SISMO : LIMA 10/74 N82°W -0.40 ümax = 0.38 g -0.80 0 5 10 15 20 25 Tiempo (s)
    • PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA CALCULAR LA MÁXIMA ACELERACIÓN EN LA CRESTA (Makdisi y Seed, 1977)
    • RESULTADOS AL FINAL DE 5 ITERACIONES SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W Ü max To γ ave G Amortig. ITER. (g) (seg) (%) (T/m²) (%) 1 1.1039 0.7498 0.0648 23780.20 13.69 2 1.1254 0.7386 0.0644 24503.52 13.43 3 1.1277 0.7374 0.0644 24581.96 13.40 4 1.1279 0.7373 0.0644 24590.87 13.40 5 1.1280 0.7373 0.0644 24591.89 13.40
    • DEFORMACIONES PERMANENTES - MÉTODO DE NEWMARK (1965) - MÉTODO DE MAKDISI Y SEED (1977) - MÉTODO DE SARMA (1975)
    • MÉTODO DE NEWMARK- Determinar la aceleración de fluencia- Cálculo de las aceleraciones inducidas- Cálculo de las deformaciones permanentes por integración de las aceleraciones
    • APLICACIÓN DEL MÉTODO DE NEWMARK TALUD AGUAS ARRIBA SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° W 0.80 Aceleración (g)y 0.40 H 0.00 -0.40 -0.80 60.0 Relación y / H : 0.25 Velocidad (cm/s) 45.0 Acel. Máx. cresta : 0.66 g 30.0 Coef. Fluencia (Ky) : 0.29 g 15.0 Coef. Máximo (Kmax) : 0.74 g 0.0 Desplazamiento (cm) : 41.20 cm 45.0 Desplazam. (cm) 36.0 27.0 18.0 9.0 0.0 0 10 20 30 40 50 60 Tiempo (s)
    • DEFORMACIONES PERMANENTES MÉTODO DE NEWMARK SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° WA. TALUD AGUAS ARRIBA ümax = 0.665 g Ky Kmax Kmax Ky Desplaz. y/H (g) (g) ümax Kmax (cm) 0.25 0.29 0.7391 1.1116 0.39 41.1960 0.50 0.27 0.4820 0.7249 0.56 13.2533 0.75 0.25 0.3368 0.4915 0.76 1.4984 1.00 0.23 0.2576 0.3874 0.89 0.0936
    • DEFORMACIONES PERMANENTES MÉTODO DE NEWMARK SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° WB. TALUD AGUAS ABAJO ümax = 0.665 g Ky Kmax Kmax Ky Desplaz. y/H (g) (g) ümax Kmax (cm) 0.25 0.32 0.4653 0.6998 0.69 1.5323 0.50 0.29 0.2370 0.3564 1.22 0.0000 0.75 0.26 0.1707 0.2567 1.52 0.0000 1.00 0.23 0.1652 0.2485 1.39 0.0000
    • MÉTODO DE MAKDISI Y SEED- Determinar la aceleración de fluencia- Cálculo de la aceleración máxima inducida (Kmax)- Cálculo de las deformaciones permanentes
    • DEFORMACIONES PERMANENTES MÉTODO DE MAKDISI Y SEED SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° WA. TALUD AGUAS ARRIBA ümax = 1.128 g Ms = 7.5 Ky Kmax Kmax Ky Desplaz. y/H (g) ümax (g) Kmax (cm) 0.25 0.29 0.85 0.959 0.302 99.86 0.50 0.27 0.60 0.677 0.399 34.27 0.75 0.25 0.44 0.496 0.504 13.28 1.00 0.23 0.35 0.395 0.583 5.71
    • DEFORMACIONES PERMANENTES MÉTODO DE MAKDISI Y SEED SISMO : LIMA - PERÚ 10/74 COMP. N 82° WB. TALUD AGUAS ABAJO ümax = 1.128 g Ms = 7.5 Ky Kmax Kmax Ky Desplaz. y/H (g) ümax (g) Kmax (cm) 0.25 0.32 0.85 0.959 0.334 90.15 0.50 0.29 0.60 0.677 0.428 26.92 0.75 0.26 0.44 0.496 0.524 11.13 1.00 0.23 0.35 0.395 0.583 6.00
    • CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES• El análisis de Estabilidad Pseudo-Estático se aplica a presas o diques de enrocado, rellenos cohesivos y arenas densas compactadas.• El análisis de Estabilidad Dinámico Riguroso se aplica a presas o diques de arenas medianamente densas o cimentación similar. Se debe considerar el método de análisis y la interpretación de resultados.• El análisis riguroso requiere determinar los esfuerzos estáticos iniciales y la respuesta dinámica con el sismo de diseño. El método de elementos finitos simula la secuencia de construcción y las condiciones de esfuerzos existentes antes del sismo y la respuesta dinámica posterior.• El análisis de Estabilidad Post-Sismo se utiliza en casos de licuación de suelos y pérdida de resistencia cortante del suelo. Este caso no ha sido tratado en esta presentación.• La presa Palo Redondo, de enrocado con pantalla de concreto tiene una gran capacidad de resistir sismos muy fuertes con pequeñas deformaciones.• El Método Simplificado de Deformaciones Permanentes se aplica conservadoramente al caso de la presa Palo Redondo.