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DISEÑO DE PUENTES EN ZONAS DE ALTA SISMICIDAD
Sergio Couto Wörner, Msc C.Eng., CICP
• K2.9 Estudio de Ingeniería Estructural Mexicana S.A de C.V.
• Director de Proyectos
• scouto@k29.mx
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
ÍNDICE
1. Introducción
2. Estrategias de diseño
3. Ejemplos propios reales
4. Conclusiones
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
1. Introducción
- Normativas de referencia:
- N-PRY-CAR-6-04-005/1 (México)
- NCSP-07 (España)
- EC-08 Part 2 (Europa)
- EN 15129 (Europa)
- AASTHO (USA)
- Acción sísmica definida por un espectro de cálculo
- Definir la vinculación tablero-subestructura. Estrategias de diseño
Horizontal design spectrum
0.1993
0.7475 0.7475
0.5382
0.4205
0.34500.2925
0.25390.2243
0.09970.0561 0.0520
0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00
T (s)
Accele
rati
on
(T
) / g
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
CAPACIDAD RESISTENTE Y DUCTILIDAD
VS
AISLAMIENTO Y AMORTIGUACIÓN
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.1. Capacidad resistente y ductilidad
- Vincular rígidamente tablero y subestructura. Monolitismo y rigidez.
- Diseño en régimen elástico?
- Coeficiente de ductilidad. Detalles de armado que aseguren la ductilidad.
- Inconvenientes
- Aparición de rótulas plásticas Posterior reparación.
- Capacidad de resistir réplicas?.
- Incompatibilidad con los movimientos longitudinales del tablero.
- Ventajas
- Evita trabajos de mantenimiento y revisión de apoyos.
- Hiperestatismo.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.2. Aislamiento sísmico y amortiguación
- Aislamiento sísmico: Modificar el período propio de la estructura haciéndola
más flexible.
- Introducción de apoyos de neopreno entre tablero y subestructura.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.2. Aislamiento sísmico y amortiguación
- Amortiguación: Disipación interna de la energía producida por el evento
sísmico.
- Se aumenta la amortiguación de la estructura incorporando elementos
discretos entre tablero y subestructura (amortiguadores).
- Se actúa sobre la acción sísmica desplazando verticalmente el espectro de
respuesta.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.3. Recentrado
- Importante en estructuras aisladas.
- Evitar actuar sobre la estructura tras evento sísmico.
- Resistencia a posibles réplicas.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.4. Mantenimiento
- Necesidad de mantenimiento en algunas soluciones.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2. Estrategias de diseño
2.5. Apoyos y dispositivos antisísmicos
- Funciones de un aparato de apoyo
- Transmitir las cargas verticales del tablero a las pilas (peso propio,
cargas muertas, sobrecargas).
- Transmitir las cargas horizontales del tablero a las pilas (viento, frenado,
fuerza centrífuga, sismo).
- Compatibilizar los movimientos horizontales entre tablero y pilas.
Permitir las deformaciones debido a retracción , fluencia y temperatura del
hormigón pretensado.
POT)
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
1) APOYOS DE NEOPRENO ZUNCHADO
- Bloques de caucho con láminas
intercaladas de acero.
- Compatibiliza los movimientos del
tablero con la pila mediante distorsión
- Vinculo elástico horizontal entre
tablero y pila
- Gran capacidad de deformación en
episodios sísimicos
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
- Limitación distorsión en evento sísmico.
- Buena capacidad de recentrado.
- Relativamente baratos.
- Posibilidad de aplicar Factores de
Comportamiento limitados sólo para
fustes, no para conexiones (apoyos) y
cimentación.
Subestructura Ru R0 R
Pila muro (Dir. fuerte) 1.00 1.67 1.67
Pila muro (Dir. débil) 1.50 1.00 1.50
Columna simple 1.50 1.00 1.50
Pórtico 1.50 1.67 2.50
Ru: Ductilidad
R0: Sobrerresistencia
R: Factor de comportamiento
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
2) APOYOS DE NEOPRENO TEFLÓN
- Para grandes longitudes de tablero
continuo (L> 200 m)
- Elástico transversal, libre longitudinal
- Mismas conclusiones que apoyos de
neopreno zunchado
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3) APOYOS DE NEOPRENO CONFINADO
POT fijo POT guiado POT libre
- Establecen vínculos rígidos o libres entre tablero y pilas
- Rozamientos del orden del 3% al 5%
- Necesidad de combinarlos con otros sistemas
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
4) APOYOS DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDR)
- Neoprenos con mayor amortiguamiento que los anteriores.
- Capacidad de disipar energía (capacidad de amortiguamiento).
- Mantenimiento de las propiedades durante la vida útil?
- Deformaciones < 0.25 alta rigidez (viento, frenado)
- Deformaciones 0.25< 2.00 baja rigidez
POT)
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
5) APOYOS CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB)
- Apoyo de neopreno zunchado con un núcleo de plomo de forma cilíndrica que
aumenta su capacidad de amortiguación.
- Apoyos especiales que funcionan como aisladores y amortiguadores a la vez.
El plomo le dota de capacidad de amortiguador y la goma hace de aislador.
- Mayor disipación que un neopreno zunchado.
- Fabricados a medida para cada proyecto.
- Necesidad de realizar un cálculo no lineal generando acelerogramas sintéticos
(posibilidad de cálculo simplificado).
- Buena capacidad de recentrado.
- Escaso o nulo mantenimiento.
- Fácil sustitución.
POT)
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
6) APOYOS PENDULARES
- Apoyos especiales que funcionan como aisladores y amortiguadores a la
vez.
- Aisladores: Modifican el período propio de la estructura por la forma
curva.
- Amortiguadores: A través del rozamiento disipan energía. Análisis de
sensibilidad de la variación del rozamiento
- F = W/R x + m W
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Ventajas:
- Aumentan la amortiguación interna de la estructura, reduciendo los
movimientos y los esfuerzos debido al sismo.
- Esfuerzos sísmicos se resisten en el régimen elástico de la estructura.
- Capacidad de resistir réplicas en régimen élástico.
Inconvenientes:
- Mantenimiento
- Fiabilidad de su comportamiento (¿Se puede garantizar el rozamiento
durante toda la vida útil?)
- Capacidad de amortiguamiento limitada.
- ¿Capacidad de recentrado?
- Adaptación a los movimientos impuestos del tablero (tableros de gran
longitud).
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
7) AMORTIGUADORES
- Dispositivos hidráulicos de disipación de energía que conectan el tablero
de un puente con la subestructura.
- Ley de comportamiento: F = C v a
- Amortiguador precomprimido: F = F0 + K x + C v a
- Permiten los movimientos lentos.
Ventajas:
- Aumentan la amortiguación interna de la estructura, reduciendo los
movimientos y los esfuerzos debido al sismo.
- Ahorro económico en subestructura.
- Esfuerzos sísmicos se resisten en el régimen elástico.
- Capacidad para resistir réplicas. Importante garantizar el recentrado.
Inconvenientes:
- Mantenimiento (?)
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Amortiguador precomprimido transversal Amortiguador longitudinal
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
COMPARACIÓN DE COEFICIENTES DE AMORTIGUACIÓN
Componente estructural Ratio de amortiguación ()
Acero 0.02
Hormigón 0.05
Neoprenos 0.05 – 0.06
Neoprenos de alto amortiguamiento (HDR) 0.16 – 0.19
Núcleos de Plomo (LRB) y Pendulares 0.30 – 0.40
Amortiguadores >0.60
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3. Ejemplos propios reales
3.1. Viaducto de Agia Phyla (Chipre)
3.2. Viaducto del Trasvase Tajo - Segura
3.3. Viaducto de Redován
3.4. Viaducto Las Truchas
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3.1. Viaducto de Agia Phyla (Chipre)
Año 2003
- Tipología: Dos losas aligeradas pretensadas construidas por fases
- Luces: 30.00 + 2 x 36.50 + 8 x 39.00 + 2 x 36.50 + 30.00
- Longitud: 518.00 m
- Trazado en planta: Curva circular (R=900 m) + Clotoide
- Canto tablero: 1.90 m (1/21 luz)
- Ancho tablero: 23.50 m (total)
- Sección de pilas: 1.50 x 3.00 m
- Altura máxima de pilas: 7.50 m
- Cimentación profunda en pilas y estribos
- Construcción: Autocimbra
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
518
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Acción sísmica:
- Eurocódigo 8
- ag = 0.20g
- Factor de importancia 1.2
Horizontal design spectrum
0.1993
0.7475 0.7475
0.5382
0.4205
0.34500.2925
0.25390.2243
0.09970.0561 0.0520
0.0000
0.1000
0.2000
0.3000
0.4000
0.5000
0.6000
0.7000
0.8000
0.9000
1.0000
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00
T (s)
Accele
rati
on
(T
) / g
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Esquema antisísmico
Amortiguadores F = C va
Transversales: C = 1430 kN/(m/s)0.20, a = 0.20
Longitudinales: C = 3445 kN/(m/s)0.20, a = 0.20
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3.2. Viaducto del Trasvase Tajo - Segura
- Tipología: Dos artesas prefabricadas isostáticas LAV
- Luces: 28 x 36.0
- Longitud: 1008 m
- Trazado en planta: Recta
- Canto tablero: 2.75 m, 2.50 (vigas)+0.25 (losa) .1/12 luz
- Ancho tablero: 14.0 m
- Sección de pilas: 1.70 x 6.50 m
- Altura máxima de pilas: 12.0 m
- Cimentación profunda en pilas y estribos
- Construcción: Grúa
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
1008
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño sísmico / Vinculación tablero-subestructura
Se disponen apoyos pendulares con fusibles
- Servicio
- Longitudinalmente se fija cada vano a una pila por medio fusibles
- Transversalmente se fija el tablero de forma elástica por medio de los apoyos
- Sismo
- Apoyos pendulares (rozamiento + péndulo)
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Condicionantes:
Terreno muy malo. Limitar las cargas transmitidas a la cimentación
Características apoyos pendulares:
- F = W / R x+ m W
- W = 3000 kN , R = 2 m, m = 6% ( EN15129, var 4%-8%)
Cálculo transitorio no lineal con acelerogramas sintéticos
Fuerza / pila = 1800 kN (rozamiento máximo 8%)
Máx/Min desplazamiento = 0.21 m/0.12 m
Espectro de cálculo:
ab = 0.16g
ac = 0.29g
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3.3. Viaducto de Redován
- Tipología: Dos artesas prefabricadas hiperestáticas LAV
- Luces: 29+2x38.7+12x37.7+31
- Longitud: 590 m
- Trazado en planta: Curva circular (R=2300)
- Canto tablero: 2.7 m, 2.45 (vigas)+0.25 (losa) .1/14 luz
- Ancho tablero: 14.0 m
- Sección de pilas: 2.2 x 7.0 m
- Altura máxima de pilas: 8.5 m
- Cimentación profunda en pilas y estribos
- Construcción: Grúa
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
590
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño sísmico / Vinculación tablero-subestructura
Longitudinalmente: Pilas centrales con neoprenos y amortiguadores en estribo
Transversalmente: Topes en pilas y estribos
El amortiguador resiste el frenado.
Neoprenos
Amortiguadores
POTPOT
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño sísmico / Vinculación tablero-subestructura
Características amortiguadores:
- F = C va
- C = 3000 kN/(m/s)0.10, a = 0.10
Cálculo transitorio no lineal con acelerogramas sintéticos
Fuerza lon / pila con neoprenos = 1800 kN
Fuerza lon / estribo con amortiguadores= 13000 kN
Fuerza tran / pila = 8000 kN
Máx desplazamiento = 0.16 m
Espectro de cálculo:
ab = 0.16g
ac = 0.27g
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
3.3. Viaducto de Las Truchas (Jala-Compostela)
- Tipología: Cajón postesado con jabalcones
- Luces: 67.0+84.7+130.0+84.7+67.0
- Longitud: 433.3 m
- Trazado en planta: Recto
- Canto tablero: 3.25 – 6.75 (L/40 – L/19)
- Ancho tablero: 21.8 m
- Sección de pilas: 5.5 x 7.0 m
- Altura máxima de pilas: 48 m
- Cimentación: directa
- Construcción: voladizos sucesivos
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
433
130
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
21.8
3.2
5-6
.75
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
- Encaje según Norma N-PRY-CAR-6-01-005/01.
- Puente tipo A.
- Zona D.
- Terreno tipo I.
- Factor de comportamiento: 2 (pórtico).
0.000
0.100
0.200
0.300
0.400
0.000 1.000 2.000 3.000 4.000
a/g
T(s)
Espectro sísmico característico
- Estructura al borde de la tipología (pilas más bajas).
- Posibilidad de diseñar amortiguadores.
- Invertir en mantenimiento.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
4. Conclusiones- La combinación de aislamiento y amortiguación es la mejor estrategia de
diseño para reducir los movimientos y esfuerzos sísmicos.
- La capacidad de la estructura de resistir las posibles réplicas está intacta
debido a que el sismo se resiste en régimen elástico.
- Con una elección de dispositivos adecuada, así como una prudente
estimación de los movimientos sísmicos, la estructura tiene capacidad para
resistir sismos bastante mayores a los de diseño.
- Los costes de mantenimiento se reducen a inspecciones visuales periódicas.
- Los costes de reparación de una estructura diseñada para resistir eventos
símicos a base de ductilidad con formación de rótulas plásticas no son
despreciables. Por otra parte la capacidad de resistir réplicas así como
eventos sísmicos mayores no es evidente.
Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad
GRACIAS POR SU
ATENCIÓN
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