Sismo-resistencia en los puentes de arco

    Los terremotos de Loma Prieta en 1989, de Northridge en 1994 han mostrado que los puentes son estructuras sísmicamente vulnerables. Aún cuando los puentes arco no han sufrido daños severos en sismos pasados, ni aún en los eventos mencionados, esto no significa que no puedan sufrirlo en algún futuro sismo de gran intensidad. Este tipo de estructuras tiene un comportamiento complejo durante los movimientos sísmicos fuertes; ya que el arco es un elemento sometido primordialmente a una gran fuerza axial de compresión debida a la carga muerta, resulta de gran importancia conocer la magnitud de los elementos mecánicos generados durante el sismo.

El arco es un elemento sometido primordialmente a compresión bajo cargas permanentes; para esto, la directriz del arco debe seguir la curva anti funicular de dichas cargas. Naturalmente, las acciones sísmicas generan condiciones cambiantes de los elementos mecánicos, rotaciones, fluencia de los apoyos y efectos adicionales de pandeo dentro o fuera del plano. La presencia de la compresión en el arco mantiene latentes los problemas de pandeo y si ésta cambia modifica las cargas críticas de diseño.

Los puentes arco son estructuras que exhiben un comportamiento complejo durante la ocurrencia de movimientos sísmicos fuertes (Japan Road Association, 1996), y para evaluar su respuesta de manera objetiva debe recurrirse a análisis dinámicos inelásticos que consideren la naturaleza espacial del movimiento, incluyendo los modos superiores de vibrar de la estructura que sean necesarios, pues éstos pueden tener una participación muy importante en la predicción de la respuesta. El uso de métodos estáticos empleando un coeficiente sísmico, como se hacía anteriormente en Japón (Kawashima y Mizoguti, 2000), han quedado en desuso; inclusive el análisis pushover, usado para evaluar el comportamiento estructural y las demandas sísmicas de otras tipologías de puentes, no puede reproducir fielmente la respuesta dinámica (Krawinkler y

Seneviratna, 1998).

Las acciones sísmicas en los estados elásticos e inelástico generan condiciones cambiantes de los elementos mecánicos, de los desplazamientos, posible fluencia de los apoyos y efectos adicionales de pandeo dentro o fuera del plano. La presencia de la compresión mantiene latentes los problemas no lineales de pandeo modificándose las cargas críticas de diseño, mismas que dependen de las condiciones de apoyo, del comportamiento de los materiales, de las propiedades de las secciones transversales, de la longitud del eje y del claro del arco, de las características del tablero, de la vinculación arco–tablero, y de las posibilidades de movimiento lateral.

Para el cálculo de las propiedades dinámicas de estos puentes es necesario tomar en cuenta el efecto de la gran carga axial que actúa en el arco, y que contribuye a disminuir la rigidez del sistema, inclusive puede volverlo inestable. Además, durante la ocurrencia de un movimiento sísmico fuerte, se presenta una variación muy importante de la fuerza axial en el arco, por lo que es necesario considerar la interacción no lineal de dicha fuerza axial y el momento flexionante. Existen tres métodos que pueden ser aplicados para considerar la fluctuación de la fuerza axial (Nakagawa et al., 2000):

1. Las relaciones momento–curvatura se modelan para cambiar de acuerdo con el valor de la fuerza axial,

2. El efecto de la fluctuación de la fuerza axial es considerado directamente en el análisis empleando elementos fibra.

3. Inicialmente, se emplea la relación momento–curvatura debida a la fuerza axial causada por la carga muerta y se hace un primer análisis. En seguida se reanaliza la estructura con las relaciones momento–curvatura debidas a la fuerza axial mínima y máxima ocasionadas por la carga gravitacional más sismo, para estudiar de manera aproximada el efecto de la variación de la fuerza axial.

Este fenómeno de fluctuación de la carga axial durante el movimiento sísmico ha sido considerado en algunos estudios relativos a puentes de acero (Nazmy y Konidaris, 1994; Nazmy, 1996), pero se nota la falta de un modelo confiable para el caso de concreto reforzado (Kawashima y Mizoguti, 2000; Nakagawa et al., 2000). Se requiere mayor investigación al respecto.

Los puentes arco de gran claro son sistemas muy flexibles, con periodos largos. Para evaluar su respuesta deben incluirse pulsos de desplazamiento de fuente cercana si la estructura se localiza en las proximidades de una falla activa, como lo considera el reglamento japonés (Japan Road Association, 1996). Además, es necesario tomar en cuenta el movimiento no sincrónico del suelo en los desplantes de la cimentación, fenómeno conocido como variabilidad espacial, y que es causado por la diferencia en tiempos de llegada de las ondas sísmicas a los diferentes apoyos, la pérdida de coherencia del movimiento y la influencia de las condiciones locales del suelo (Der Kiureghian y Neuenhofer, 1992).

En conclusión, los puentes son obras civiles de las que se requiere su integridad estructural y accesibilidad después de la ocurrencia de un sismo. Sin embargo, algunos movimientos telúricos fuertes recientes han mostrado que los puentes, en general, son estructuras sísmicamente vulnerables, aunque hasta ahora los puentes arco no han sufrido daño severo por sismo. Así de esta manera fue realizado este artículo en aras de contribuir en la comprensión del comportamiento de dichos puentes.

    Bengoechea. A. (2004). Sismo-resistencia en los puentes de arco  [Disponible]. En Revista de Ingeniería Sísmica, SMIS, No. 63, pp. 55-71. En Cádiz, España. Material recuperado en julio de 2011.

Autor: Joel Zambrano