UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERUUNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA, LIMA, PERUFACULTAD DE INGENIERIA CIVILFACULTAD DE INGENIERIA CIVIL

CURSO:CURSO:ACTUALIZACION PROFESIONALACTUALIZACION PROFESIONAL

DINAMICA DE SUELOSDINAMICA DE SUELOS

DISEO SISMICO DE PRESASDE TIERRA Y ENROCADO

Jorge E. Jorge E. AlvaAlva HurtadoHurtadoMiguel Infantes QuijanoMiguel Infantes Quijano

CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICA CENTRO PERUANO JAPONES DE INVESTIGACION SISMICA Y MITIGACION DE DESASTRESY MITIGACION DE DESASTRES

CONTENIDOCONTENIDO

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 laaccin ssmica.

- Mtodos analticos para calcular la respuesta dinmica de presas.

- Ensayos dinmicos para determinar las propiedades del suelo bajo carga ssmica.

- Mtodos de diseo para evaluar la estabilidad ssmica y el potencial de deformacin debido a sismos

COMPORTAMIENTO DE PRESAS DURANTE SISMOS

1) Cualquier presa bien construida puede soportar sismos moderados, con aceleraciones mximas de 0.2 g, sin daos.

2) Presas de material arcilloso con cimentacin arcillosa o rocosa pueden soportar sismos fuertes con magnitudes Richter de 8.25 y aceleraciones mximas de 0.35 a 0.8 g, sin daos aparentes.

3) Presas de enrocado con pantalla de concreto se mantienen secas y son capaces de soportar sismos extremadamente fuertes, con solamente pequeas deformaciones.

4) El diseo ssmico debe concentrarse en las presas que pueden sufrir daos por sismos severos o tienen cuerpos granulares saturados que pueden perder resistencia durante sismos, ocasionando movimientos.

5) El anlisis dinmico se emplea en presas de material granular, saturado y suelto a medianamente denso, sometidas a sismo fuerte o sobre cimentacin del mismo tipo. En estos casos se incrementa la presin de poros durante el sismo, generndose prdida de resistencia. El mtodo pseudo-esttico no es aplicable.

ANALISIS PSEUDO-ESTATICO- Se utiliza el mtodo de equilibrio lmite para el anlisis de

estabilidad de taludes, adicionando un coeficiente ssmico.

- El coeficiente lateral ssmico es semiemprico, que depende de la sismicidad del pas.

- Ruesta, Daz y Alva (1988) han propuesto valores del coeficiente lateral ssmico para presas de tierra y enrocado en el Per. Los valores propuestos son consistentes con las presas de tierra y enrocado diseadas y construidas en el Per y el mundo.

- El anlisis de estabilidad pseudo-esttico sirve adems para determinar la aceleracin de fluencia ky que se emplea en el mtodo simplificado de deformaciones inducidas.

- En una presa de tierra el anlisis de estabilidad de taludes se realiza tpicamente para alcanzar los siguientes factores de seguridad.

1) Final de construccin + sismo FS > 1.02) Infiltracin constante + sismo FS > 1.253) Desembalse rpido + sismo FS > 1.0

DISEO SISMICO DE PRESAS DE TIERRA Y ENROCADO EN EL PERU (Ruesta, Daz y Alva, 1988)

PRESA

POECHOS

TINAJONES

GALLITOCIEGO

PISHCAPACCHA

RECRETA

YURACMAYO

ANCASCOCHA

IRURO

CONDOROMA

AGUADABLANCA

CHIHUANE

PASTOGRANDE

JARUMA

PAUCARANI

TIPO DepartementoUBICACION

LatitudLongit.

EMBALSEUTIL106xM3

COTACORONAC.

M.S.N.M.

ALTURAMAX(M)

SECCION MAXIMATALUD PROMEDIOAguasArriba Abajo

AguasDIMENSIONES (m)

Corona Base Long.Crest.

METODO DE

ANALISISCOEF.

SISMICO

AOEST.

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

TierraZonificada

Enrocadopantalla de

acero

Enrocadopantalla deconcreto

Piura

Lambayeque

Cajamarca

Ancash

Ancash

Lima

Ayacucho

Ayacucho

Arequipa

Arequipa

Puno

Moquegua

Tacna

Tacna

4 40

8 306 40

79 257 14

79 15

10 0077 1010 1077 2011 4576 1514 5573 5014 30

74 15

15 2571 2016 1571 20

16 1069 5016 4070 3517 2269 5717 4069 50

5

9

145

237

43

200

59

65

44

267

45

400

300

830 108

216

412

4157

4021

4318

3430

4065

4121

3671

3880

4525

4498

4543 24

22

10

25

45

92

49

40

53

48

50

102

37

48 1:2.25

1:3.0

1:2.35

1:1.8

1:3.5

1:2.5

1:2.5

1:1.5

1:2.5

1:1.7

1:2

1:2.3

1:2.5

1:2 1:2

1:2

1:2

1:1.7

1:1.75

1:2.25

1:1.5

1:2

1:2

1:3

1:1.75

1:2.25

1:2.5

1:2.25 8

9

15

8

12

8

10

9

12

5

8

3.5

8

8

240

250

527

220

280

300

215

173

400

160

120

44

109

100

600

2440

782

425

2900

580

174

383

510

70

177

180

130

130

Por defor-macin

Fellenius

BishopKrey

AnlisisDinmico

Deform.InducidasBishopQuad-4

Fellenius

Cua Des-lizante

Bishop

BishopModificado

Fellenius

Bishop

Deform.Inducidas

*

0.25

0.15

0.10

*

*

0.12

*

0.20

0.15

0.15

0.20

0.15

0.15

1965

Fellenius

1971

1975

1985

1982

1984

1984

1982

1967

1972

1986

1987

1980

1978

Estudioconcluido

ESTADOACTUAL

Construida

Construida

Construida

Estudioconcluido

Construida

En construccin

En construccin

Construida

Construida

Estudioconcluido

Construida

Construida

Construida

ECUADOR COLOMBIA

BRASIL

BO

LIV

IA

OCEANOPACIFICO I

III

III

COEFICIENTE SISMICO

PRESAS DETIERRA ENROCADO

PRESAS DEZONA

II

III

0.15 - 0.25

0.10 - 0.15

0.05 - 0.10 0.05

0.05 - 0.10

0.10 - 0.20

CHILE

II

PROPUESTO PARA PRESASPEQUEAS Y MEDIANAS

I

RUESTA, ET AL (1988)

I

III

METODO SIMPLIFICADO DE DEFORMACIONES INDUCIDAS

- La deformacin permanente se emplea como criterio de diseo.

- Mtodo racional simple, se aplica a presas constitudas por suelos arcillosos compactos, arenas secas y suelos granulares densos. Poco potencial de desarrollo de presin de poros, deformaciones pequeas, el material retiene su resistencia esttica.

- Se basa en el clculo de deformaciones permanentes, con la evaluacin de respuesta dinmica.

- La falla ocurre en una superficie de deslizamiento bien definida con comportamiento elstico hasta la falla y luego comportamiento perfectamente plstico.

- Propuesto originalmente por Newmark y modificado por Makdisi y Seed.

1) Determine la aceleracin de fluencia, la que produce FS = 1.0.

2) Determine las aceleraciones producidas por el sismo en la presa por respuesta dinmica. Se utiliza el mtodo de elementos finitos o vigas de corte. Tiempo-historia de aceleraciones promedio para varias superficie potenciales de falla.

3) Cuando la aceleracin inducida excede la calculada, ocurrirn movimientos; la magnitud se evala con doble integracin.

El mtodo 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 MAXIMAVARIACION DE LA RELACION DE ACELERACION MAXIMACON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTECON LA PROFUNDIDAD DE LA MASA DESLIZANTE

y / h

Mtodo deElementosFinitos

Viga de Corte(rango de todoslos datos)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.01.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

kmax / max

Promedio detodos los datos

VARIACION DE DESPLAZAMIENTOPROMEDIO NORMALIZADO CONACELERACION DE FLUENCIA

VARIACION DE DESPLAZAMIENTO PERMANENTENORMALIZADO CON ACELERACION DE FLUENCIARESUMEN DE DATOS

1.00.001

0.001

0.001

0.1

1

10M~8

M~7

M ~ 6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0ky / kmax

1

0.1

0.01

0.4

10

0.001

0.00010 0.6 0.80.2

7 1/2

6 1/2

M~8 1/4

U

/

k

m

a

x

g

T

o

-

S

e

g

u

n

d

o

s

ky / kmax

U

/

k

m

a

x

g

T

o

-

S

e

g

u

n

d

o

s

ANALISIS DE ESTABILIDAD DINAMICO

Evaluacin de Esfuerzo Estticos

Anlisis de Respuesta Ssmica

Procedimiento Recomendado

CASO ESTUDIADOCASO 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 cbicos, longitud de coronacin de 770 metros y altura de 95 metros.

Coeficiente lateral ssmico = 0.20.

Sismo de diseo con aceleracin mxima de 0.38g y magnitud de Richter de 7.5 para un perodo de retorno de 500 aos.

Tiempo historia de registro en Lima, sismo de 1974.

Parmetros conservadores de resistencia cortante de los materiales y modelo hiperblico esfuerzo-deformacin.

Parmetros dinmicos de la literatura.

SECCIN 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)

250.00 m.s.n.m. (Terreno Natural)

20.00 m

1 1 11.75 1 1.50

Material del Cuerpo de Presa

Material de Cimentacin

Bloque Estabilizador

Material de Transicin

Pantalla de Concreto

ANLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TALUD AGUAS ARRIBA (EOC)

PROGRAMA : SLOPE/W

MTODO : BISHOP

FACTOR DE SEGURIDAD : 1.53

Materiales (KN/m) () C(KPa)Material de Cimentacin 21 36 0Material del Cuerpo de Presa 21 38 0Bloque Estabilizador 22 42 0Material de Transicin 20 36 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200

220

240

260

280

300

320

340

360

C

o

t

a

(

m

.

s

.

n

.

m

.

)

Distancia (m)

ANANLISIS DE ESTABILIDAD ESTLISIS DE ESTABILIDAD ESTTICO TICO TALUD AGUAS ABAJO (EOC)TALUD AGUAS ABAJO (EOC)

PROGRAMA : SLOPE/W

MTODO : BISHOP

FACTOR DE SEGURIDAD : 1.44

Materiales (KN/m) () C(KPa)Material de Cimentacin 21 36 0Material del Cuerpo de Presa 21 38 0Bloque Estabilizador 22 42 0Material de Transicin 20 36 0

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450200

220

240

260

280

300

320

340

360

C

o

t

a

(

m

.

s

.

n

.

m

.

)

Distancia (m)

ANLISIS DINMICO DE RESPUESTA SSMICA

- MTODOS UNIDIMENSIONALES

- MTODOS BIDIMENSIONALES

- PROCEDIMIENTOS SIMPLIFICADOS

MDULO CORTANTE PARA GRAVAS(Seed et. al., 1984)

Rango de valores

10-4 10-3 10-2 10-1 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Deformacin Cortante, (%)

M

d

u

l

o

c

o

r

t

a

n

t

e

a

d

e

f

.

c

o

r

t

a

n

t

e

M

d

u

l

o

c

o

r

t

a

n

t

e

m

x

i

m

o

AMORTIGUAMIENTO DE GRAVAS(Seed et al., 1984)

10-310-4 10-2 -110

Datos para gravas y suelos gravosos

10

4

8

12

16

20

24

Valores promedio para arenas

Lmite superior e inferior para arenas

R

a

z

n

d

e

A

m

o

r

t

i

g

u

a

m

i

e

n

t

o

(

%

)

Deformacin Cortante, (%)

ACELEROGRAMA DEL SISMO DE LIMA-PER 10/74 COMP. N 82 W

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0 10 20 30 40 50 60

A

c

e

l

e

r

a

c

i

n

(

g

)

Tiempo (s)

max = 0.38 g

ESPECTRO DE RESPUESTA NORMALIZADO DE ACELERACIONES HORIZONTALES

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Periodo (seg)

5%10%15%20%

A

c

e

l

.

E

s

p

e

c

t

r

a

l

A

c

e

l

.

M

x

i

m

a

ANLISIS BIDIMENSIONAL DE RESPUESTA SSMICA

- Anlisis Esttico de Esfuerzo-Deformacin

- Anlisis Dinmico

MALLA DE ELEMENTOS FINITOS

PRESA PALO REDONDO

X

Y

PARMETROS HIPERBLICOS DE LOS MATERIALES DE LA PRESA PALO

REDONDO

Parmetro Cimentacin Cuerpo dePresa

BloqueEstabilizador

Material deTransicin

(KN/m) 21.00 21.00 22.00 20.00sat (KN/m) 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/m) 0.00 0.00 0.00 0.00

() 36 38 42 36 () 0 0 0 0

ESFUERZOS CORTANTES ESTTICOSPROGRAMA : FEADAM84

xy (KPa)

-3.30E+002

-3.00E+002

-2.00E+002

-1.50E+002

-5.00E+001

+0.00E+000

+1.00E+002

+2.00E+002

+2.50E+002

+3.10E+002

ESFUERZOS CORTANTES MXIMOSSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

PROGRAMA : QUAD4M xy max (KPa)

+0.00E+000

+4.00E+001

+8.00E+001

+1.20E+002

+1.40E+002

+1.60E+002

+1.80E+002

+2.00E+002

+2.20E+002

+2.40E+002

ACELERACIONES MXIMASSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

PROGRAMA : QUAD4MAceler. Max. (g)

+2.50E-001

+2.75E-001

+3.00E-001

+3.25E-001

+3.50E-001

+4.00E-001

+4.50E-001

+5.00E-001

+6.00E-001

+6.65E-001

GEOSOFTPrograma de Anlisis Esttico y Dinmico

de Estructuras GeotcnicasDesarrollado en el CISMID - FIC - UNI

Principales implementaciones efectuadas en el Programa :

Trabaja bajo entorno WINDOWSModelo lineal equivalente para el anlisis linealCriterios para la evaluacin de mdulos dinmicosCurvas de propiedades proporcionadas por el usuarioMtodos de Wilson Newmark de integracin en el tiempoMatriz de masa consistente y concentradasAmortiguamiento variableBordes viscososGeneracin de archivo neutro

COMPARACIN DE ACELEROGRAMAS CALCULADOS EN LA CRESTA CON PROGRAMAS BIDIMENSIONALES

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

A

c

e

l

e

r

a

c

i

n

(

g

)

A

c

e

l

e

r

a

c

i

n

(

g

)

A

c

e

l

e

r

a

c

i

n

(

g

)

Tiempo (s)

AcelerogramaCalculado en la Cresta

PROGRAMA : GEOSOFT

AcelerogramaCalculado en la Cresta

PROGRAMA : QUAD4M

Acelerograma en la Base Rocosa

SISMO : LIMA 10/74 N82W max = 0.38 g

max = 0.66 g

max = 0.60 g

0 5 10 15 20 25-0.80

-0.40

0.00

0.40

0.80

-0.80

-0.40

0.00

0.40

0.80

-0.80

-0.40

0.00

0.40

0.80

PROCEDIMIENTO SIMPLIFICADO PARA CALCULAR LA MXIMA ACELERACIN EN LA CRESTA

(Makdisi y Seed, 1977)

RESULTADOS AL FINAL DE 5 ITERACIONESSISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

max To ave G Amortig.(g) (seg) (%) (T/m) (%)

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

ITER.

DEFORMACIONES PERMANENTES

- MTODO DE NEWMARK (1965)

- MTODO DE MAKDISI Y SEED (1977)

- MTODO DE SARMA (1975)

MTODO DE NEWMARK

- Determinar la aceleracin de fluencia

- Clculo de las aceleraciones inducidas

- Clculo de las deformaciones permanentes por

integracin de las aceleraciones

APLICACIN DEL MTODO DE NEWMARK

TALUD AGUAS ARRIBA

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

A

c

e

l

e

r

a

c

i

n

(

g

)

V

e

l

o

c

i

d

a

d

(

c

m

/

s

)

D

e

s

p

l

a

z

a

m

.

(

c

m

)

Tiempo (s)

-0.80

-0.40

0.00

0.40

0.80

0.0

15.0

30.0

45.0

60.0

0 10 20 30 40 50 600.0

9.0

18.0

27.0

36.0

45.0

H

y

Relacin y / H : 0.25

Acel. Mx. cresta : 0.66 g

Coef. Fluencia (Ky) : 0.29 g

Coef. Mximo (Kmax) : 0.74 g

Desplazamiento (cm) : 41.20 cm

DEFORMACIONES PERMANENTESMTODO DE NEWMARK

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

A. TALUD AGUAS ARRIBA max = 0.665 g

y / HKy(g)

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

Kmax(g)

Kmaxmax

KyKmax

Desplaz.

(cm)

DEFORMACIONES PERMANENTESMTODO DE NEWMARK

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

B. TALUD AGUAS ABAJO max = 0.665 g

y / HKy(g)

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

Kmax(g)

Kmaxmax

KyKmax

Desplaz.

(cm)

MTODO DE MAKDISI Y SEED

- Determinar la aceleracin de fluencia

- Clculo de la aceleracin mxima inducida (Kmax)

- Clculo de las deformaciones permanentes

DEFORMACIONES PERMANENTESMTODO DE MAKDISI Y SEED

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

A. TALUD AGUAS ARRIBA max = 1.128 g

Ms = 7.5

y / HKy(g)

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

Kmax(g)

KyKmax

Desplaz.

(cm)

Kmaxmax

DEFORMACIONES PERMANENTESMTODO DE MAKDISI Y SEED

SISMO : LIMA - PER 10/74 COMP. N 82 W

B. TALUD AGUAS ABAJO max = 1.128 g

Ms = 7.5

y / HKy(g)

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

Kmax(g)

KyKmax

Desplaz.

(cm)

Kmaxmax

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El anlisis de Estabilidad Pseudo-Esttico se aplica a presas o diques de enrocado, rellenos cohesivos y arenas densas compactadas.

El anlisis de Estabilidad Dinmico Riguroso se aplica a presas o diques de arenas medianamente densas o cimentacin similar. Se debe considerar el mtodo de anlisis y la interpretacin de resultados.

El anlisis riguroso requiere determinar los esfuerzos estticos iniciales y la respuesta dinmica con el sismo de diseo. El mtodo de elementos finitos simula la secuencia de construccin y las condiciones de esfuerzos existentes antes del sismo y la respuesta dinmica posterior.

El anlisis de Estabilidad Post-Sismo se utiliza en casos de licuacin de suelos y prdida de resistencia cortante del suelo. Este caso no ha sido tratado en esta presentacin.

La presa Palo Redondo, de enrocado con pantalla de concreto tiene una gran capacidad de resistir sismos muy fuertes con pequeas deformaciones.

El Mtodo Simplificado de Deformaciones Permanentes se aplica conservadoramente al caso de la presa Palo Redondo.