1. No category

Diseño sismo-resistente de muelles
apoyados en pilotes bajo la luz de
normativas modernas de diseño
Carlos E. Ospina, PhD, PE, FACI
BergerABAM (Houston, TX)
Organización
• Motivación
• Alcance
• Conceptos de diseño sismo-resistente de
muelles
• Consideraciones especiales
• Ejemplos
• Conclusiones
Motivación
• El desarrollo de puertos en Colombia es
indispensable para poder afrontar los retos
asociados con la firma de tratados comerciales
con otros países.
• Los puertos deben protegerse ante acciones
de terremotos.
• Es necesario diseminar el estado actual del
conocimiento sobre el diseño sismo-resistente
de muelles.
Motivación
• El diseño sismo-resistente de muelles abiertos
(apoyados en pilotes) difiere de los conceptos
tradicionales utilizados en el diseño sismoresistente de edificios.
• En el país no existe una normativa
especializada para el diseño sismo-resistente
de muelles.
1906
1960
2010
Tipos de muelles “abiertos”
Muelles en espolón/pantalán
Muelles marginales
Otras configuraciones
Superestructura
Vaciada en sitio
Prefabricada
Combinada
Modos de falla en muelles abiertos (PIANC)
Deformación del muelle
Deformación del suelo
Desplazamiento del tablaestacado
Sismo-resistencia de muelles
• Códigos modernos:
• PIANC
• UFC 4-152-01
• California Marine Oil TErMinal Standard (MOTEMS)
• POLA
• POLB
• ASCE/COPRI 61-14 (Compendio de códigos
estadounidenses)
Sismo-resistencia de muelles
• ASCE 7-10:
• MCE: 2500 años (No colapso)
• Sismo de diseño: 2/3 MCE (seguridad)
• Puertos:
• Difícil distinguir entre seguridad y no colapso.
• Varios sismos de diseño (OLE, CLE, etc…) según
el “daño” que se defina como aceptable,
incluyendo fallas del suelo.
• El término “falla estructural” se refiere más bien
a aspectos funcionales y económicos.
Diseño sismo-resistente de muelles
• Diseño basado en el desempeño de la estructura
• Respuesta inelástica de algunos/todos los pilotes.
El tablero permanece elástico.
• Los desplazamientos laterales se definen según el
nivel de sismo y daño que se acepte.
• Principios de protección de capacidad
Desempeño según importancia (PIANC)
Nivel de
desempeño
Definición
S
Estructuras esenciales e
imprescindibles
Estructuras importantes, difíciles de
reparar
Estructuras convencionales
A
B
C
Estructuras pequeñas de fácil
reparación
Nivel de desempeño (PIANC)
C
B
A
S
Sismos de diseño
Probabilidad de
Excedencia
Período de retorno
(años)
50% / 50 yrs
20% / 50 yrs
10% / 50 yrs
2% / 50 yrs
75
225
475
2500
• Las aceleraciones espectrales de diseño deben ser
consistentes con el período de retorno asumido.
OLE
CLE
DLE
Diseño basado en desempeño
Sismo
Nivel de daño
1
2
3
50%/50
20%/50
10%/50
2%/50
Objetivo extendido
Objetivo limitado
Objetivo básico de seguridad
Tendencias históricas de diseño
• Uso de pilotes inclinados
• Diseño basado en conceptos de fuerza y no de control de
desplazamientos
• Poco énfasis en desempeño real
– Difícil identificar cuáles elementos disipan energía o
cuáles ofrecen la reducción de fuerza que se asume.
– Se desconoce la magnitud de las fuerzas que realmente
se aplican.
– No se tiene buen control de desplazamientos o
deformaciones
Pilotes inclinados
Pilotes inclinados
Pilotes Inclinados
• Han tenido mal comportamiento en terremotos
recientes.
• Atraen altas fuerzas laterales.
• La idea no es condenarlos sino saber diseñarlos. Son
fundamentales, por ejemplo, en muelles donde
dominan las cargas laterales (ej. Piñas de atraque de
grandes tanqueros) y no existen plataformas
continuas.
• Meta: prevenir fallas de cortante en los pilotes y en
las conexiones entre los pilotes y el tablero.
1989 Loma Prieta
Source: Iai
1995 Manzanillo (México)
Source: Iai
1999 Turquía
Source: Iai
1999 Turquía
Source: Iai
Pilotes verticales
• Ventajas:
– Fácil instalación
– Diseño transparente tanto de pilotes como de
vigas cabezales y conexiones
– Fuerzas laterales más bajas
• Desventajas:
– Mayor flexibilidad ante cargas laterales
Fuerzas laterales
D
VA
VB
Vi
Fuerzas laterales
d
V
hlibre
Zpde
Se usa interacción
suelo-estructura
Fuerzas laterales
V
SV
D
Curva pushover
V
Demanda (CLE)
Demanda (OLE)
Capacidad (Pushover)
D
Protección de capacidad
• Concepto
• Definiciones
• Protección de pilotes
• Protección de conexiones pilote-tablero
• Protección del tablero
Protección de capacidad (Pilotes)
loMna,1
Vc,1
L
Vc ,UD
loMna,2
Vc,2
 M na ,1  M na , 2 

 lo 
L


Resistencias (ASCE/COPRI 61-14)
• La evaluación de resistencias se basa en
valores reales esperados:
• fye = 1.1 fy
• f’ce = 1.3 f’c
• fpye = 1.0 fpy
• fpue = 1.05 fpu
• Se definen límites de deformación en el
concreto y en el refuerzo según el daño que se
considere aceptable (OLE, CLE, DL)
Conexiones pilote de acero - tablero
Conexiones pilote de concreto - tablero
Protección de capacidad (Tablero)
• La zona del tablero tributaria a un pilote debe
resistir un momento flector ligeramente mayor
que el que desarrolla el pilote en su extremo
superior
Vs.
2010 Haití
Fuente: S. Chodkiewicz (USACE)
2010 Maule (Chile)
Muelle evaluado (Chile 2010)
Consideraciones adicionales
Muelle marginal
• Centro de masa ≠ Centro de rigidez
CM
e CR
• Se produce torsión en el plano del tablero.
• La eccentricidad no es constante.
Esbeltez en pilotes
No arriostrado.
Coeficiente de esbeltez
más adverso
Arriostrado
Muelle y patio de contenedores
apoyados en pilotes
Patio de contenedores
Terminal TCBUEN, Buenaventura (Cortesía TCBUEN)
Muelle
Combinación de cargas
ASCE/COPRI 61-14
1 ± 0.5 PGA D + 0.1L + E
• Por qué 0.1?
• OK para muelles con cargas vivas bajas.
• Liberal para muelles con cargas vivas altas o
muelles en donde se apilen contenedores.
• Cómo manejar OLE, CLE y DLE?
Efecto de masa sísmica en desplazamientos
laterales
Sa
T : f (m)
T* : f (m+mL)
Sd
Sd1
Sd2
EJEMPLO – Muelle SPIA (Aguadulce, COL)
Localización
Puerto de Buenaventura
Península de Aguadulce
SPIA Container Wharf, Colombia
Terminales SPIA y Boscoal
BOSCOAL BULK HANDLING WHARF
BOSCOAL ACCESS TRESTLE
BOSCOAL YARD
BOSCOAL ACCESS ROAD
SPIA CONTAINER WHARF
SPIA ACCESS TRESTLE
SPIA Container Wharf, Colombia
SPIA CONTAINER YARD
Muelle SPIA
SPIA Container Wharf, Colombia
Retos técnicos
• Ubicado en la zona de más alta sismicidad en Colombia
• Sismos previos:
Magnitud 8.8 Tumaco, Ene. 31 1906
Magnitud 6.6 Tumaco, Dic. 12 1979
Codigo Colombiano NSR-10
CLE
OLE
1,20
Spectral Acceleration (g)
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
Period (sec)
SPIA Container Wharf, Colombia
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0
3,2
3,4
3,6
Retos técnicos
• Pilotes de 750 T de capacidad (carga de servicio!)
Luz de 7.5 m, 850 kN/m
Grúa STS
Pilote, eje
delantero de
grúa
Pilote, eje
trasero de grúa
SPIA Container Wharf, Colombia
Tapón prefabricado de concreto
SPIA Container Wharf, Colombia
Plataforma
SPIA Container Wharf, Colombia
Secuencia constructiva
SPIA Container Wharf, Colombia
SPIA Container Wharf, Colombia
Conclusiones (I)
• La filosofía de diseño sismo-resistente de muelles ha
evolucionado en los últimos 20 años. Los conceptos
tradicionales basados en el uso de coeficientes de
reducción de fuerzas han sido reemplazados por
principios asociados con control de desplazamientos.
• La respuesta de un muelle ante cargas laterales y el
nivel de daño asociado están ligados a la manera
como se detallan sus componentes.
Conclusiones (II)
• La aplicación de principios de protección de
capacidad es fundamental para el diseño sismoresistente de muelles apoyados sobre pilotes.
• Una mala interpretación de los principios de
protección de capacidad puede conducir a una falla
frágil de pilotes, conexiones o el agrietamiento
excesivo del tablero.
Reconocimiento
•
•
•
•
•
PIANC Colombia
DIMAR
Asocreto
Soletanche Bachy / Conconcreto
BergerABAM
Preguntas?