Criterios de Diseño Sísmico de Túneles

8/17/2019 Criterios de Diseño Sísmico de Túneles

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Criterios de diseño sísmico de túneles

Seismic design criteria of tunnels

Luis Eduardo Pérez-Rocha Instituto de Investigaciones Eléctricas, México.

Javier vilés!

Instituto Mexicano de Tecnología del Agua.

*Autor de correspondencia.

"irecci#n institucional de los autores

Dr. Luis Eduardo Pérez!oc"a

Instituto de Investigaciones EléctricasPaseo de la Reforma 11362490 Temixco !orelos !éxicoTeléfono "#2 $%%%& 3623 '11 extensi(n %#%'le)r*iie+org+mx

Dr. #avier AvilésInstituto !exicano de Tecnolog,a del -guaPaseo .uau/n/uac '#32 colonia Progreso62##0 iute)ec !orelos !éxicoTeléfono "#2 $%%%& 3293 600 extensi(n '64ax "#2 $%%%& 3293 6%9

aviles*tlaloc+imta+mx

Reci5ido 290911

-ce)tado 160#13

Resumen

7e )resenta una revisi(n 8 ada)taci(n de los criterios de diseo s,smico esta5lecidosen la )rctica )ara t:neles rectos de secci(n circular+ 7e consideran dos métodos deanlisis el método de deformaci(n de cam)o li5re 8 el método de interacci(n suelo;

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estructura+ 7e analiue muestra claramente el efecto de5ido alcontraste de rigide< entre los dos elementos+

Pala$ras clave% interacci(n suelo;t:nel deformaci(n de cam)o li5re res)uestas,smica de t:neles+

$stract

- revision and ada)tation of t/e seismic design criteria esta5lis/ed in t/e )ractice forstraig/t tunnels of circular s/a)e is )resented+ T?o met/ods of anal8sis areconsidered t/e free;field deformation met/od and t/e soil;structure;interactionmet/od+ T/e axial flexural and ovaling deformations caused 58 t/e )assage of seismic

?aves are anal8


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interacci(n suelo;estructura 8a >ue la rigide< del t:nel )uede afectar de formaconsidera5le las deformaciones circundantes+

En este tra5ao se )resenta una revisi(n 8 ada)taci(n de los criterios de diseo s,smicoesta5lecidos en la )rctica )ara t:neles rectos de secci(n circular $7t+ o/n 8 @a/ra/19'%A Bas/as/ et al + 2001&+ =os métodos de anlisis considerados son el de

deformaci(n de cam)o li5re 8 el de interacci(n suelo;estructura+ .on ellos se calculanlas mximas deformaciones axial 8 de flexi(n $curvatura& )roducidas )or diferentesti)os de ondas as, como la fuer


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=as deformaciones de ovalamiento )ueden desarrollarse cuando las ondas s,smicas se)ro)agan de manera )er)endicular al ee del t:nel $ver figura 2& resultando en unadistorsi(n de la secci(n transversal en condici(n de deformaci(n )lana+ En general la)ro)agaci(n vertical de ondas de cortante )roduce la deformaci(n cr,tica deovalamiento+ =as consideraciones de diseo )ara este ti)o de deformaci(n sona)lica5les en la direcci(n transversal+

http://www.scielo.org.mx/scielo.php?pid=S2007-24222014000100004&script=sci_arttext#f2http://www.scielo.org.mx/scielo.php?pid=S2007-24222014000100004&script=sci_arttext#f2


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*étodo de deformaci#n de cam+o li$re

=a deformaci(n de cam)o li5re se refiere a la deformaci(n del terreno causada )or el)aso de ondas s,smicas en ausencia del t:nel o la excavaci(n+ Esta deformaci(n ignorala interacci(n suelo;t:nel )ero en algunos casos )uede re)resentar una 5uenaa)roximaci(n a la deformaci(n estructural es)erada+ Este enfo>ue ado)tado en

elManual de Dise$o por %is&o de la .omisi(n ederal de Electricidad $!C7;.E 200'&8 5asado en los criterios de diseo de tu5er,as $lores 8 Dassilev 1999& so5restima osu5estima las deformaciones del t:nel de)endiendo de su rigide< relativa con res)ectoal terreno+

De'or&aci(n axial ) de 'lexi(n

En la figura 3 se muestran los movimientos del terreno de5idos a una onda arm(nicade cortante o5licua al ee del t:nel+ Puede verse >ue los des)la


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de)enden del ngulo de incidencia la am)litud de des)la


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donde

+ s , + p , + ! J velocidad mxima de )art,cula )ara ondas %, P 8 de Ra8leig/res)ectivamente+

As , A p , A! J aceleraci(n mxima de )art,cula )ara ondas %, P 8 de Ra8leig/res)ectivamente+

s , p , ! J velocidad efectiva de )ro)agaci(n de ondas %, P 8 de Ra8leig/res)ectivamente+

=as deformaciones )roducidas )or ondas de Ra8leig/ tienden a dominar s(lo en el casode t:neles su)erficiales en sitios leanos a la fuente s,smica+ En vista de la dificultad>ue existe )ara definir el ngulo de incidencia los valores de diseo >ue se )ro)onen)ara F 8 G son los mximos >ue resultan )ara los ngulos cr,ticos esto es


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donde es la velocidad efectiva de )ro)agaci(n de ondas mientras >ue + 8 A son lavelocidad 8 aceleraci(n mximas del terreno )ara el sismo de diseores)ectivamenteA c F 8 c G son los coeficientes de deformaci(n 8 curvaturares)ectivamente cu8a magnitud de)ende del ti)o de onda 8 el ngulo cr,tico deincidencia seg:n se indica en el cuadro 1+

Es dif,cil determinar cul ti)o de ondas domina en el tem5lor de diseo de a/, lanecesidad de efectuar anlisis 5asados en las evidencias o5servadas 8 el uicioingenieril+ Para fines de diseo la deformaci(n com5inada axial 8 de flexi(n se calculacomo

donde r es el radio del t:nel+ =a deformaci(n total de5e com)ararse con la deformaci(n)ermisi5le F)eres)ecificada )ara el revestimiento del t:nel+ .on F tot K F)er el diseo seconsidera satisfactorio+

=a contri5uci(n de la curvatura a la deformaci(n longitudinal crece al aumentar el radiodel t:nel+ 7in em5argo la deformaci(n )or flexi(n )or lo general es relativamente)e>uea com)arada con la deformaci(n axial+ Es im)ortante tener en cuenta lanaturaleue )or un lado el revestimiento )uedeagrietarse en tensi(n 8 )or otro la su)er)osici(n de los esfuer


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donde d J r es el dimetro del t:nel 8 Lmx J + s s es la mxima deformaci(n decortante+ Mao la )resencia de la excavaci(n la mxima deformaci(n diametral estdada )or

donde vs es la relaci(n de Poisson del suelo+ El revestimiento del t:nel de5e disearse)ara so)ortar esta deformaci(n 8 austarse al cam5io de secci(n transversal+

.om)arando las ecuaciones $%& 8 $'& se des)rende >ue las distorsiones son ma8ores alconsiderar la excavaci(n )or un factor de 2 $)ara vs J 0+#& a 3 $)ara vs J 0+2#&+ =aecuaci(n $'& es un criterio de distorsi(n raueel suelo circundante mientras >ue la ecuaci(n $%& es a)ro)iada cuando la rigide< delrevestimiento es similar a la del terreno+ Para t:neles con ma8or rigide< >ue el suelocircundante las distorsiones son a:n menores >ue las o5tenidas con la ecuaci(n $%&de5ido a la interacci(n suelo;t:nel+

*étodo de interacci#n suelo-estructura

=a )resencia del t:nel modifica las deformaciones de cam)o li5re es)ecialmente ensuelos 5landos+ El anlisis de interacci(n suelo;estructura considera la rigide< tanto delterreno como del t:nel+ El sistema aco)lado se modela como una viga so5recimentaci(n elstica sueta a ondas de cortante ignorando los efectos inerciales+.uando el t:nel se somete a deformaciones axial 8 flexionante causadas )or ondas)ro)agndose a lo largo de su ee la secci(n transversal ex)erimenta los siguientes

elementos mecnicos 1& la fuer


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uerza axial

=a fuer


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uerza cortante

=a mxima fuer


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donde ?o J 0 en la roca 5asal 8

es una a)roximaci(n esttica del modo dominante de vi5raci(nA "n 0n 8 2n son eles)esor m(dulo de cortante 8 densidad del n;ésimo estrato res)ectivamente+

.onocido el valor del )eriodo dominante del suelo la velocidad efectiva de )ro)agaci(nde ondas de cortante resulta ser


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donde 3 s es la )rofundidad del de)(sito de suelo+ El m(dulo de rigide< al corte efectivodel medio estratificado es s J 2s.s2 siendo

la densidad media+

De'or&aci(n axial ) de 'lexi(n

Para fines de diseo la deformaci(n com5inada >ue resulta de la fuer


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donde

E s J m(dulo de elasticidad del suelo+

v s J relaci(n de Poisson del suelo+

E c J m(dulo de elasticidad del revestimiento+

v c J relaci(n de Poisson del revestimiento+

t J es)esor del revestimiento+

r J radio del t:nel+

I4 c J momento de inercia del revestimiento )or unidad de anc/o+

El coeficiente mide la rigide< radial del sistema t:nel;suelo mientras >ue elcoeficiente mide su rigide< de ovalamiento+ En funci(n de estos )armetros 8 de ladeformaci(n mxima de cortante Lmx se calcula la deformaci(n diametralQd d $ver figura #& as, como la fuer


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donde


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El esfuerue resultan de la fuer


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S Relaci(n de Poisson del suelo v s J 0+4#

Par1&etros estructurales

S Cimetro interior del t:nel d J % m+

S Es)esor del revestimiento t J 3# cm+

S rea de la secci(n transversal del revestimiento Ac J U$3+#2 V 3+1#2& J %+31 m2+

S !omento de inercia de la secci(n transversal del revestimiento I c J U$3+#4 V 3+1#4&4J 40+#3 m4+

S rea 8 momento de inercia del revestimiento )or unidad de anc/o AWc J 1 x 0+3# J0+3# m2 e I WcJ 1 x 0+3#3 12 J 0+0036 m4+

S !(dulo de elasticidad del concreto E c J 2#0 000 gcm2+

S Relaci(n de Poisson del concreto v c J 0+2

S Ceformaci(n )ermisi5le del concreto F)er J 0+003

An1lisis sin e'ectos de interacci(n

Para la a)licaci(n del método de deformaci(n de cam)o li5re se siguen los siguientes)asos

1+ .alcular las deformaciones axial 8 flexionante considerando el efecto cr,tico deondas de cortante esto es con c F J 2 8 c G J 1+

=a mxima deformaci(n com5inada axial 8 de flexi(n es


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Ce5ido a la naturale


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3+ Estimar las rigideces axial 8 lateral del suelo )or unidad de longitud de t:nel

4+ .alcular la mxima fuer


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6+ .om)arar la deformaci(n com5inada axial 8 de flexi(n con la deformaci(n)ermisi5le

H(tese >ue esta deformaci(n es significativamente menor >ue la calculada con el

método de deformaci(n de cam)o li5re+

6+ Ceterminar la mxima fueruiere verificar >ue la fuerue la fuer


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2+ Ceterminar los coeficientes de com)resi5ilidad 8 flexi5ilidad del sistema t:nel;suelo

3+ Ceterminar los coeficientes de res)uesta del sistema

4+ .alcular la deformaci(n de ovalamiento >ue de5e so)ortar el t:nel en condici(nmonol,tica+ =a mxima deformaci(n de cortante es

-s, el mximo cam5io de dimetro $extensi(n 8 com)resi(n& im)uesto al t:nel es


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#+ .alcular la mxima fuer


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deformaciones a la estructura )ara determinar los esfuerue de5e so)ortar+ Paracalcular estas deformaciones se de5en conocer las aceleraciones 8 velocidadesmximas de )art,cula )roducidas )or el )aso de ondas I P 8 de Ra8leig/ as, como lasvelocidades de )ro)agaci(n de ondas % P 8 de Ra8leig/+ Por lo general los esfuerue realmente se desarrollan en laestructura+ En efecto la )resencia de la estructura modifica las deformaciones

im)uestas )or el cam)o li5reA como resultado las deformaciones tanto del suelo comode la estructura son menores+ El enfo>ue >ue considera esta reducci(n es el deinteracci(n suelo;estructura+ En este enfo>ue se )ro)orcionan ex)resiones )araevaluar las fuerue se desarrollan en secciones transversales 8 longitudinales delt:nel+ Para determinar estas fuerue se eval:a en funci(n del )eriodo dominante de vi5raci(n 8 lavelocidad de )ro)agaci(n de ondas de corte en el terreno de des)lante+ Tam5ién se)ro)orcionan ex)resiones )ara determinar las deformaciones del t:nel en funci(n delas deformaciones del terreno de5idas a la excitaci(n s,smica+ Por :ltimo se resuelveun eem)lo )aso a )aso >ue ilustra los dos ti)os de anlisis deformaciones de cam)oli5re versus deformaciones con interacci(n suelo;estructura+

7e /an comentado algunas consideraciones acerca de la a)lica5ilidad de lasex)resiones )resentadas+ En general la a)licaci(n de los criterios de diseo s,smico)uede /acerse )ara la condici(n del revestimiento )rimario ms el definitivoconsiderando el es)esor real 8 las )ro)iedades e>uivalentes de la secci(n com)uesta+Por otra )arte no se dan criterios )ara considerar la conexi(n del t:nel con elementosr,gidos ti)o lum5rera+ Ce5ido a la com)leidad de la res)uesta en la conexi(n t:nel;lum5rera la concentraci(n dinmica de esfuerue se tiene en esta uni(n suelecalcularse con modelos de elementos finitos+

=os criterios de diseo )resentados estn 5asados en el conocimiento de losmovimientos mximos del terreno )ara el sismo de diseo 8 en el uso de métodos de

anlisis sim)lificados suficientemente a)roximados+ =os movimientos mximos delterreno de5en estimarse al nivel del t:nel a fin de considerar la atenuaci(n con la)rofundidad+ En el tra5ao de Bas/as/ et al + $2001& se dan recomendaciones )aracalcular la velocidad 8 aceleraci(n mximas del terreno en funci(n de la magnitud delsismo la distancia fuente;sitio 8 la )rofundidad del t:nel+

Referencias

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