Análisis sísmico y curvas de fragilidad en túneles

Abstract

Este trabajo presenta curvas de fragilidad para túneles en suelos de categoría A, C y E, según la clasificación de la Norma Chilena NCh433 y DS61, utilizando el método de diseño dinámico, lo cual sienta una base para estudios de riesgo en el área de estructuras subterráneas. La ocurrencia reciente y futura de terremotos en Chile enfatizan la necesidad de contar con una estimación de la probabilidad de daño de estructuras de carácter crítico como túneles de metro. En este contexto, lo anterior se realiza utilizando modelos computacionales bidimensionales en base al software de elementos finitos PLAXIS 2D versión 2015. En lo que respecta a diseño sísmico, existen dos metodologías para su desarrollo. La primera considera el análisis cinemático, el cual impone una desangulación a la sección transversal del túnel debido al frente de ondas sísmicas que lo atraviesan, determinadas a través de métodos analíticos. La segunda considera la incorporación de métodos numéricos iterativos, imponiendo un registro de aceleraciones a la base del modelo utilizando un software como PLAXIS, especialmente diseñado para ello. Los análisis son realizados modelando las características geotécnicas de tres tipos de suelos A, C y E. Los registros sísmicos utilizados son aceleraciones medidas, en estaciones ubicadas sobre afloramiento rocoso, durante el terremoto del Maule 2010. Para el estudio se utilizan las componentes de los registros N-S y E-O De cada una de las metodologías estudiadas, se obtienen los esfuerzos, axiales y de momento, en el revestimiento del túnel, y para cada etapa del método constructivo. Luego de contrastar los resultados de ambos métodos, se realiza un análisis dinámico incremental, para poder estudiar su respuesta frente a excitaciones mayores. A partir de estos resultados se definen cuatro estados de daño: 1) Menor, 2) Moderado, 3) Alto, y 4) Colapso. Estos permiten categorizar el comportamiento del túnel y obtener parámetros para la elaboración de las curvas de fragilidad, para la distribución de probabilidad log-normal. Esta distribución permite representar de mejor manera las incertidumbres en los parámetros que caracterizan la capacidad y demanda estructural. Además de los costos de daños o pérdidas esperadas, es decir, todas las componentes del concepto riesgo. Los resultados de la comparación de ambos métodos presentan variaciones que van desde un 26% hasta 72% en el caso del esfuerzo axial y un 29% hasta 86% para el caso de los momentos. Para las curvas de fragilidad se confirma que la respuesta sísmica del túnel depende de las características del suelo. El suelo tipo A es, probabilísticamente, el más seguro frente al sismo, con menor daño. En cuanto al suelo tipo C, como es de esperar, la probabilidad de daño aumenta, en sus tres categorías de daño, a menor PGA. Por último, el revestimiento de túnel ubicado en el suelo tipo E es el que se ve más afectado con probabilidades de daño mayores a los otros dos suelos. Los resultados presentados en esta memoria son una referencia realizada para análisis dinámico, con un software específico, y en condiciones ideales de túnel circular, pudiendo presentar diferencias con configuraciones y condiciones de suelo diferentes. El estudio presentado no reemplaza un diseño ni trabajo de detalle de ingeniería.