1 CRITERIOS GENERALES PARA DETERMINAR LAS CARGAS EVENTUALES DEBIDAS A LA ACCIN DE LOS SISMOS QUE ACTUAN EN PUENTES Y ESTRUCTURAS SIMILARES DE ACUERDO A LA NORMATIVA SCT Ignacio Enrique Hernndez Quinto1

RESUMEN Se define los criterios generales dispuestos en la Normativa para la Infraestructura del Transporte (Normativa SCT)paradeterminarlascargaseventualesdebidasalaaccindelossismos,queactanenpuentesy estructuras similares, la clasificacin de las estructuras segn su importancia atendiendo al grado de seguridadysegnsucomportamientossmicodeacuerdoconsurespuestaalaaccindelsismo.Secomentanlos diferentes mtodos para determinar las cargas sobre las estructuras y sus criterios de aplicacin. . ABSTRACT Thisarticledefinesthegeneralcriteria readyin theNormtotheRailwayand highwaynetwork(Normative SCT)todetermine thepossibleloadsduetotheactionoftheearthquakes,that act inbridgesandstructures similar, the classification of the structures according to their importance taking care of the security degree and according to its seismic behavior in agreement with their answer to the action of the earthquake. The different methods comment to determine the loads on the structures and their criteria of application. INTRODUCCIN EsteartculopretendedifundirloestablecidoenlaNormativaSCT,relativoaloscriteriosgenerales dispuestosparadeterminarlascargaseventualesdebidasalaaccinde lossismos,queactanen puentesy estructuras similares,y en especial se indica lo dispuesto en la Norma N PRY CAR 6 01 005/01, sismo, de esta Normativa El diseo de las estructuras para soportar las cargas eventuales debidas a la accin de los sismos, depende del riesgodequestosocurranydelascaractersticasdelsuelodondeseconstruirn.Elprimeroseinfierea partirdelaregionalizacinssmicadelterritorionacionalylassegundasseconsideranconbaseenel comportamiento dinmico de los suelos tpicos.Paradeterminarlascargassobrelasestructurasdebidasalaaccindelossismosseutilizanlossiguientes mtodos de anlisis, cuyos criterios de aplicacin se establecen en la Normativa: Mtodo SimplificadoMtodo CuasidinmicoMtodo DinmicoMtodos Experimentales CLASIFICACIN SEGN IMPORTANCIA ParaefectosdeestaNorma,lasestructuras,segnsuimportanciaatendiendoalgradodeseguridad aconsejable,ysegnsucomportamientossmicodeacuerdoconsurespuestaalaaccindelsismo,se clasifican como sigue:

1 DirectordeApoyoTcnico,DireccinGeneraldeServiciosTcnicos,SecretaradeComunicacionesy Transportes,Prof.DeasignaturaenlaFESAragn,UNAM,Av.Coyoacn1895Col.AcaciasMxico D.F. C.P. 03240, Mxico D. F., tel (55) 55 34 99 45, Fax 55 24 92 65, ihquinto@sct.gob.mx. XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009 Tipo A Puentes y estructuras similares ubicados en o sobre carreteras de cuatro o ms carriles, de los tipos ET4, A4 y B4,segnlaclasificacinestablecidaenelReglamentosobreelPeso,DimensionesyCapacidaddelos VehculosdeAutotransportequeTransitanenlosCaminosyPuentesdeJurisdiccinFederal,oautopistas, que son carreteras de los tipos ET y A, con accesos controlados. Tipo B Puentes y estructuras similares ubicados en o sobre carreteras de dos carriles, de los tipos ET2, A2, B2, C y D, segn la clasificacin establecida en el Reglamento sobre el peso, Dimensiones y Capacidad de los Vehculos de Autotransporte que Transitan en los Caminos y Puentes de Jurisdiccin Federal, y en caminos rurales. Tipo CEstructurassecundariasdecortaduracin,talescomoseales,postesparaalumbrado,soportesde instalaciones y anuncios publicitarios, entre otros; y los elementos secundarios de las estructuras tipos A y B, comosusparapetos.Engeneral,lasestructurasTipoCnosonsujetasaldiseossmico,salvoquesufalla pueda ocasionar daos en estructuras de los Tipos A o B, en tal caso se disean como estructuras Tipo B. Figura 1Estructura tipo A (Puente Mezcala, Autopista Mxico-Acapulco). CLASIFICACIN SEGN SU COMPORTAMIENTO SSMICO Tipo 1s Estructurasregularesenlascualeslasuperestructuraestformadaportramoslibrementeapoyadoso continuos de armaduras, losas, losas sobre trabes, vigas de cajn de acero, concreto o mixtasy que cumplen adems con los siguientes requisitos: Con menos de seis (6) claros si son continuos.Con eje longitudinal recto o en curvatura reducida.Con esviajamiento menor de quince (15) grados.Sincambiosbruscosenlarigidezymasadeloselementossucesivosdelasuperestructuraysubestructura, exceptuando los estribos.Con claro mximo menor o igual que cuarenta (40) metros y ancho de calzada hasta de treinta (30) metros. Tipo2s Estructurasquenocumplanconalguno(s)delosrequisitosdelasestructurasTipo1s,perocon superestructuras del Tipo B, con claros hasta de ciento cincuenta (150) metros. Tipo 3s Estructurasespecialesdegrandesdimensiones,conclarosmayoresdecientocincuenta(150) metros,ocon sistemas estructurales poco comunes. Tipo 4s Estructuras de grandes dimensiones ocon estructuracin poco usual, con periodo devibracin (T) mayor de tres(3)segundos,oubicadasensitiosdealtoriesgossmicoporsuproximidad aunafalla activaoporsus caractersticas geolgicas poco comunes.. Figura 2Estructura tipo 1s XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009 Figura 3Regionalizacin ssmica de la Repblica Mexicana REGIONALIZACIN SSMICA Desde el punto de vista del riesgo ssmico, el territorio de la Repblica Mexicana se divide en las cinco zonas ssmicasquesemuestranenelmapadelaFigura3(figuraNo.1delaNorma),dondelazonaA correspondealademenorriesgossmicoylazonaDalademayorriesgo.LazonaEcomprendeal Distrito Federal y los municipios del Estado de Mxico conurbados con la ciudad de Mxico. TIPOS DE SUELOS Paratomarencuentalaamplificacindinmicadelarespuestassmicaporefectosdelsueloenelquese desplantelaestructura,seconsideran lossuelostpicosqueseindicanacontinuacin,cuyaclasificacinse basa en los resultados de la exploracin geotcnica realizada, aplicando mtodos reconocidos de dinmica de suelos. A falta de datos el proyecto se realiza considerando un suelo Tipo III. Suelos Tipo ISuelos cuyo estrato superior est constituido por suelos rgidos y estables, o rocas de cualquier naturaleza, en un espesor no menor de sesenta (60) metros. Suelos Tipo IISueloscuyoestratosuperiorestformadoporarcillassemirgidas,conosinlentesdearena,oporotros suelos friccionantes, en un espesor igual o mayor de nueve (9) metros, sobreyaciendo a un estrato constituido por suelos rgidos y estables, o rocas de cualquier naturaleza, con un espesor no menor de sesenta (60) metros. Suelos Tipo IIISueloscuyoestrato superior est formado por limos o arcillas blandas,en un espesor igual o mayor de doce (12)metros,sobreyaciendoaunestratoconstituidoporsuelosrgidosyestables,orocasdecualquier naturaleza, con un espesor no menor de sesenta (60) metros. Figura 4Para tomar en cuenta la amplificacin dinmica de la respuesta ssmica por efectos del suelo en el que se desplante la estructura, se consideran la clasificacin del suelo que se basa en los resultados de la exploracin geotcnica realizada. DETERMINACION DE LAS CARGAS POR SISMO Para determinar las cargas sobre las estructuras debidas a la accin de los sismos se utilizan los se utilizan los siguientes mtodos de anlisis, cuyos criterios de aplicacin se establecen a continuacin: Mtodo SimplificadoMtodo CuasidinmicoMtodo DinmicoMtodos ExperimentalesEn los mtodos experimentales, el modelo se ensaya en forma unidimensional, bidimensional o tridimensional segn los efectos que se investiguen MTODO SIMPLIFICADO Este mtodo es aplicable a estructuras que, segn su comportamiento ssmico, son del Tipo 1s. El anlisis se realizaendosdireccionesortogonaleshorizontales,considerandoparacadaunadeellaselefectodeuna fuerzahorizontalequivalente(S)independiente,aplicadaenelcentrodegravedaddelaestructuraysus efectossecombinancomoseindicarposteriormente.Dichafuerzahorizontalsedeterminamediantela siguiente expresin: Ec. 1 Donde: S= Fuerza horizontal equivalente, (kN) C= Ordenada mxima del espectro ssmico correspondiente a la zona ssmica donde se ubique la estructura y al tipo de suelo en que se desplantar, y que se obtiene de la Tabla 1 de esta Norma, (adimensional) Q= Factor de comportamiento ssmico, que se obtiene como se indica en la Tabla 2.(adimensional) W= Peso de la estructura, (kN) La relacin c/Q no debe ser menor que la ordenada al origen del espectro ssmico correspondiente (a), que se obtienedelaTabla1,segnlazonassmicadondeseubiquelaestructurayeltipodesueloenquese desplantar. XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009 Tabla 1Valores caractersticos del espectro ssmico para estructuras Tipo B Zona s ssmica Tipo de suelo ao c Ta (s) Tb (s) r A I II III 0,02 0,04 0,05 0,08 0,16 0,20 0,2 0,3 0,6 0,6 1,5 2,9 1/2 2/3 1 B I II III 0,04 0,08 0,10 0,14 0,30 0,36 0,2 0,3 0,6 0,6 1,5 2,9 1/2 2/3 1 C I II III 0,09 0,13 0,16 0,36 0,50 0,64 0,2 0,3 0,6 0,6 1,4 1,9 1/2 2/3 1 D I II III 0,13 0,17 0,21 0,50 0,68, 0,86 0,2 0,3 0,6 0,6 1,2 1,7 2/3 1 E I II III 0,04 0,08 0,10 0,16 0,32 0,40 0,2 0,3 0,6 0,6 1,5 3,9 1/2 2/3 1 Figura 5Espectro ssmico caracterstico MTODO CUASIDINMICO Este mtodo es aplicable a estructuras que, segn su comportamiento ssmico, son de los Tipos 1s o 2s. Igual que en el mtodo simplificado, el anlisis se realiza en dos direcciones ortogonales horizontales, considerando para cada una de ellas el efecto de una fuerza horizontal equivalente (S) independiente, aplicada en el centro degravedaddelaestructuraysusefectossecombinancomoseindicarposteriormente.Dichafuerza horizontal se determina en funcin del periodo de vibracin (T) de la estructura, como sigue: PERIODO DE VIBRACIN DE LA ESTRUCTURAElperiododevibracin(T)delaestructura,queeselperiodonaturalcorrespondientealprimer mododevibracinenladireccinhorizontalqueseanalice,puededeterminarseporcualquier mtododeanlisisdinmicoreconocido.EnestructurasdelosTipos1sy2s,puedecalcularse aproximadamente con la siguiente frmula: Ec. 2 Donde. T= Periodo de vibracin de la estructura, (s) W= Peso de la estructura, (kN) K= Rigidez de la estructura, (kN/cm), que vale: Ec. 3 Donde: F= Fuerza esttica horizontal de valor arbitrario, aplicada en el centro de gravedad de la estructura y en la direccin de anlisis, (kN) = Desplazamiento de la estructura en la direccin de anlisis ocasionada por la fuerza F, que se determina tomando en cuenta lo sealado en la Clusula L (clculo de desplazamiento) de la Norma N PRY CAR 6 01 005/01, (cm) FUERZA EQUIVALENTELa fuerza horizontal equivalente (S) que utiliza en el mtodo cuasidinmico, se determina mediante la expresin: Ec.4 Donde: S= Fuerza horizontal equivalente, (kN) a=Ordenadaenelespectrossmicocorrespondienteala zonassmicadondeseubiquela estructura y al tipo de suelo en que se desplanta, para el periodo de vibracin T de la estructura, que se determinacomoseindicaenlaClusulaJ.delaNormaNPRYCAR601005/01, (adimensional) W=Peso de la estructura, (kN) Q=Factor de comportamiento ssmico modificado, (adimensional), que vale: Si T Ta Ec.5 Si T > Ta Ec. 6 Donde: Ta=Periodo de vibracin inferior del intervalo de resonancia del espectro ssmicocorrespondiente a la zona ssmica donde se ubique la estructura y al tipo de suelo en que se desplantar, y que se obtiene de la Tabla 1, (s) Q=Factor de comportamiento ssmico, que se obtiene como se indica en la Clusula K. de la XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009 Norma N PRY CAR 6 01 005/01, (adimensional)La fraccin a/Q no debe ser menor que la ordenada al origen del espectro ssmicocorrespondiente (a), que seobtiene de la Tabla 1, segn la zonza ssmica donde se ubique la estructura y el tipo de suelo en que se desplantar. MTODO DINMICOEstemtodoesaplicableaestructurasque,segnsucomportamientossmico,sondelTipo3sy,enforma optativa, a estructuras de los Tipos 1s y 2s. Segn la precisin deseada, el anlisis puede realizarse por efectos comoseindicaenlaClusulaM.delanormaNPRYCAR601005/01,omedianteunanlisis tridimensional, aplicandounprogramadecmputoaceptadoporlaSecretara(SCT).Encualquiercaso,los efectosssmicosresultantesnodebensermenoresqueelochenta(80)porcientodelosobtenidosporel mtodo cuasidinmico.El anlisis puede ser Modal Espectral o Paso a Paso, tomando en cuenta lo siguiente: ANLISIS MODAL ESPECTRALLas leyes y frecuencias de los modos naturales de vibracin de la estructura se obtienen por mtodos reconocidosdedinmicaestructural,tomandolasprevisionesnecesariasparaincluirlosefectorde interaccin suelo-estructura.La participacin de cada modo de vibracin de la estructura en las fuerzas que actan sobre ella, se defineconbaseenelespectrossmicopara la zonassmicadondeseubiquelaestructurayparael tipodesueloenquesedesplante,segnlaClusulaJdelanormaNPRYCAR601005/01.y haciendo las reducciones por ductilidad segn la Clusula K de la misma norma. Ec.7 Donde: R=Respuesta total de la estructura n = Nmero total de modos de vibracin que se consideran en la respuesta total de la estructura Ri= Cualquier respuesta a los modos de vibracin de la estructura que se consideren. Larespuesta puede ser una fuerza, cortante, momento flexionante o desplazamiento, entre otras ANLISIS PASO A PASOParaelanlisispasoapasosedebendefinirlosacelerogramasdelsismodediseo,pudiendo emplearselosdesismosreales,sismossimulados,ocombinacionesdestos,siempreycuandose utilicenmovimientosrepresentativoscuyascaractersticasdeintensidad,duracinycontenidode frecuenciasseancompatiblesconelriesgossmicodelsitioenqueseubicalaestructura.Debe ademsdefinirselaleyconstitutivaesfuerzo-deformacinparaobtenerlarespuestanolinealque mejor se ajuste a las caractersticas de la estructura. MTODOS EXPERIMENTALESEstosmtodossonaplicablesaestructurasque,segnsucomportamientossmico,sondelTipo4s,y consistenenlaejecucindeestudiosexperimentalesenprototiposymodelosfsicos,mediantetcnicas reconocidas, que permitan estimar la sismicidad del sitio, la respuesta del suelo y la respuesta de la estructura, siendo necesaria la aplicacin del mtodo dinmico a que se refiere la Clusula H. de la norma N PRY CAR 6 01 005/01. ESPECTROS SSMICOS Paracualquiermtodoqueseutiliceenladeterminacindelascargassobrelasestructuras,debidasala accindelossismos,exceptoelexperimental,esnecesarioutilizarelespectrossmicocorrespondientea la zonassmica dondeseubiquelaestructurayaltipodesueloenquesedesplantarcomoelmostradoenla Figura 5, que muestra la variacin de la ordenada (a) correspondiente a la relacin de la aceleracin del sismo entreladelagravedad,parasusdiferentesperiodosdevibracin(T).Losvaloresdelaordenadaalorigen (a),delaordenada mxima(c)ydelosperiodosdevibracin,interior(Ta)ysuperior(Tb)delintervalode resonancia delespectro,queseilustranenesaFigura,para estructuras TipoB, las diferenteszonasssmicas de la Repblica Mexicana y los distintos tipos de suelos, se proporcionan en la Tabla 1. Para estructuras Tipo A, los valores de ao y c de la Tabla, se multiplican por un factor de importancia de uno coma cinco (1.5). La ordenada (a) para cualquier periodo de vibracin (T) en el espectro ssmico, est definida por las siguientes expresiones: Si 0 < T Ta ; TTa ca aaoo= Ec. 8 SiTa < T Tb ;a= c Ec. 9 SiTb < TrbTTc a((

=Ec. 10 Donde: r = Exponente adimensional que se obtiene de la Tabla 1, segn la zona ssmica donde se ubique la estructura y el tipo de suelo en que se desplante FACTOR DE COMPORTAMIENTO SSMICOEl factor de comportamiento ssmico (Q), por el que se toma en cuenta la ductilidad de la estructura, se puede obtenerdeestudiosexperimentalesparaestructura,concaractersticas,similaresaladeproyecto, previamenteaprobadosporlaSecretara.Afaltadeesosestudiossepuedenemplearlosvaloresquese indican en la Tabla 2 de esta Norma, de acuerdo con las caractersticas de la estructura por proyectar y segn las fuerzas por determinar. CLCULO DE DESPLAZAMIENTOLos factores de reduccin Q o Q, son aplicables a la determinacin de fuerzas estticas equivalentes a partir de las cuales se obtienen los elementos mecnicos, pero para la determinacin de desplazamientos ssmicos el valor de ambosfactores se considera igual que uno (1); debiendo proporcionarse a la estructura la capacidad detomareldesplazamientoascalculado;encasocontrarioelanlisisdebeincluirlosefectos correspondientes. XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009 TABLA 2.- Valores del factor de comportamiento ssmico Q CARACTERSTICAS DE LA ESTRUCTURAQ -Estructuras cuya superestructura forma un marco dctil* con los elementos de la subestructura, ya sean de-Paraelclculodefuerzastransmitidasporlasuperestructuraala subestructura,cuandolaprimeraseapoyalibrementeendispositivosde neopreno.-Paraelclculodefuerzasgeneradasporlasubestructuraenelementos formados por marcos dctiles.4 -Estructuras en las que la fuerza ssmica es resistida por una sola columna o pila continua con el tablero de la superestructura.-Paraelclculodefuerzastransmitidasporlasuperestructuraala subestructura,silosdispositivosdeapoyoyanoexistenosondeotrotipo diferente al neopreno.-Para el clculo defuerzas generadas por la subestructura en elementos tipo muro o en columnas aisladas de concreto reforzado.2 -Paraelclculodefuerzasgeneradasporlasubestructuraenelementosde mampostera. 1 *Un marco se considera dctil cuando se cumplen los requisitos de dimensiones y detalles de diseo que, para talefecto,seincluyenenlasNormasdelosTtulos.03DiseodeEstructurasdeConcretoy04.Diseode EstructurasdeAcero,delaParte6ProyectosdeNuevosPuentesyEstructurasSimilares,delLibroPRY. Proyecto, del Tema CAR. Carreteras de la Normativa SCT. COMBINACIN DE EFECTOS SSMICOSLos efectos ssmicos calculados, suponiendo que cada fuerza equivalente acta en la respectiva direccin de cadaunodedosejesortogonalesdelaestructura,secombinanparaevaluarelefectototal,delamanera siguiente: St = Sx + 0,3SyEc.11 St = Sy + 0,3Sx Ec.12 Donde: St= Efecto ssmico de diseoSt= Efecto ssmico considerando que el sismo acta nicamente en la direccin x St= Efecto ssmico considerando que el sismo acta nicamente en la direccin X, ortogonal a y Normalmente los ejes x yy corresponden al eje longitudinal de la estructura y al transversal, respectivamente. En la determinacin de la fuerza equivalente en cada direccin se toman los valores del periodo de vibracin (T) y del factor de comportamiento (Q) correspondientes.De las dos combinaciones indicadas, se selecciona para diseo la ms desfavorable. Los efectos ssmicos totales se combinan con los efectos de otrascargas, conforme se indica en la Norma N-PRY-CAR-6-01-006, Combinaciones de Cargas. Figura 6Daos en pilas de mampostera por efectos ssmicos COMENTARIOS IMPORTANTES SOBRE LA NORMATVA (SCT) La Normativa para la Infraestructura del Transporte (Normativa SCT) es el conjunto de criterios, mtodosy procedimientosparalacorrectaejecucindelostrabajosquerealizalaSecretaradeComunicacionesy TransportesparalaInfraestructuradeltransporteytieneentrevariosobjetivoseldeorientarlaselecciny aplicacin de los criterios, mtodosy procedimientos ms convenientes para la realizacin de losestudiosy proyectos,paralaejecucin,supervisin,aseguramientodecalidad,operacinymitigacindelimpacto ambientaldelainfraestructuradurantesuconstruccin,conservacin,reconstruccinymodernizacin.Los criterios, mtodos y procedimientos contenidos en la Normativa SCT son una gua, si el Ingeniero responsable considera que dichos criterios, mtodosy procedimientos no son aplicables para la realizacin de un trabajo especfico,puedeproponerotrosquenoestncontenidosenlaNormativaSCT,siempreycuandoestn debidamente sustentados, no contravengan las leyes federales aplicables y sean aprobados por las Autoridades competentes. CONCLUSIONES LaNormativaSCT,ademsdeserundocumentodereferenciaparalaSecretariadeComunicacionesy Transportesypersonasfsicasomoralesquecontratenlaejecucindeobraspblicasylosservicios relacionadosconellas,eneldiseodeobrasvialestpicas,puedeserusadocomolibrodereferenciayde textoenlasinstitucionesdeeducacinsuperioroparatodosaquellosrelacionadosconlaenseanzay prctica profesional de la Ingeniera Civil en nuestro pas.Considerando que el propsito de la Normativa es que el sector transporte cuente con una normativa tcnica permanentemente actualizada, que incluya los ltimos avances tecnolgicosy jurdicos que se desarrollen en el pasyen el extranjero, proponiendo loscriterios, mtodosy procedimientos para la correcta ejecucin de los trabajos que se realizan en materia de infraestructura para el transporte, con seguridad, calidad, economa yeficiencia,enlasreasdecarreteras,puertos,ferrocarriles,aeropuertosyedificaciones,esnecesariauna constantedifusin,unanlisisyunaretroalimentacincontodoslosprofesionalesdelaingenieracivilde nuestro pas.LaNorma N PRY CAR 6 01 005/01, sismo, no difiere significativamente de otras referencias como Manual deDiseodeObrasCiviles,SeccinCEstructuras,Tema1CriteriosdeDiseoCapitulo3Diseopor Sismo, en los criterios de anlisis, sin embargo establece mtodos Cuasidinmicos y Experimentales que en el manualdelaCFEnomenciona,ademsdemarcarunareginEenlaregionalizacinssmicadela Repblica. XVII Congreso Nacional de Ingeniera SsmicaPuebla, Puebla, 2009

REFERENCIAS AASHTO. (1983), Guide specifications for seismic design of highway bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials, USA CFE.(1993),ManualdeDiseodeObrasCiviles,SeccinCEstructuras,Tema1CriteriosdeDiseo Capitulo 3 Diseo por Sismo,. Mxico D.F.. SCT.(1984),NormasTcnicasparaelProyectodePuentesCarreteros,Subsecretarade Infraestructura, Direccin General de Servicios Tcnicos,. Mxico D.F.. SCT.(2000-2007),NormativaparalaInfraestructuradelTransporte(NormativaSCT),Versin actualizada al 29 de noviembre de 2007,.Instituto Mexicano del Transporte, Mxico D.F.. Wai-Fah Chen y Lian Duan, (2003), Bridge Engineering, Sismic Design, Bridge Engineering Handbook, CRC Press LLC, Principles and applications in Engineering, USA, 465 pp.