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Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica

Jordi Revoltós

Jorge Cascales

CÁLCULO Y DISEÑO DE PUENTES EN ZONA SÍSMICA


Índice

1. Introducción

2. Aparatos de apoyo

3. Estrategias de diseño

3.1. Capacidad resistente y ductilidad

3.2. Aislamiento sísmico

3.3. Amortiguamiento

4. Ejemplo de cálculo

5. Conclusiones

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica1. Introducción

- Acción sísmica definida por un espectro de cálculo

0.271

0.043

0.1160.1390.163

0.174

0.271

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0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

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0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500

T (s)

Ace

lera

ció

n /

g

- Definir la vinculación tablero-subestructura

Esfuerzos en la subestructura

Comprobar movimientos

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica2. Aparatos de apoyo

- 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

- Tipos de aparato de apoyo

-Neopreno zunchado

-Neopreno deslizante

-Neopreno confinado (POT)


2.1. Aparatos de apoyo. Neopreno zunchado

-Bloques de caucho con láminas intercaladas de acero

- Gran rigidez vertical

- E= 600 N/mm2

- Baja rigidez horizontal

- G=0,9 /mm2

- Compatibiliza los movimientos del tablero con la pila mediante distorsión

- Vinculo elástico horizontal entre tablero y pila

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica2.1. Aparatos de apoyo.

Neopreno

- Deformación tablero hormigón pretensado: 1mm/m

-(elástico, retracción , fluencia, temperatura)

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica2.2. Aparatos de apoyo. Neopreno-

teflón (deslizantes)

- Para grandes longitudes de tablero continuo de hormigón pretensado (L> 200 m)

-Elástico transversal, libre longitudinal

Chapa de acero y teflón


2.3. Aparatos de apoyo. Neopreno confinado

- POT Fijo - POT Guiado

- POT Libre

- Establecen vínculos rígidos o libres entre tablero y pilas

- Rozamiento: 3% a 5%

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica3. Estrategias de diseño.

3.1. Capacidad resistente y ductilidad- Vincular rígidamente tablero y subestructura (Monolitismo)

- Método de cálculo: Cálculo espectral modal

Coeficiente de ductilidad (q). Esfuerzos/q

Aparición de rótulas plásticas


- Coeficiente “q” a nivel global, hay que comprobarlo a nivel seccional

- Los movimientos no están afectados de este factor “q”.Inconvenientes de este diseño:

- Estructura rígida (períodos bajos), acción sísmica máxima

- Incompatibilidad con movimientos longitudinales del tablero

- Formación de rótulas plásticas y necesidad de reparaciones.

- ¿En qué estado queda el puente para resistir las réplicas?

0.271

0.043

0.1160.1390.163

0.174

0.271

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500

T (s)

Ace

lera

ció

n /

g

km

T 2Ductilidad

Rigidez


3.2. Aislamiento sísmico

- Modificar el período propio de la estructura haciéndola más flexible

0.271

0.043

0.1160.1390.163

0.174

0.271

0.000

0.050

0.100

0.150

0.200

0.250

0.300

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500

T (s)

Ace

lera

ció

n /

g

km

T 2

- Tablero apoyado sobre neoprenos (permite deformaciones del tablero)

- Verificar movimientos relativos tablero-pila

Flexibilidad


- Modelización de apoyos de neopreno (acciones estáticas)

h

GAnKxKF

- Coordenadas de i=coordenadas de j

- En la pila se liberan esfuerzos

G = 0.9 N/mm2

Predimensionamiento para cargas estáticas < 15 N/mm2

tg < 0.7


- Modelización de apoyos de neopreno (acciones dinámicas)

G = 0.9 N/mm2

q = 1 Verificación(EC8):

Sismo, tg< 2.0

Total, tg< 6.0

Posibilidad de ajustar fuerzas y movimientos jugando con la rigidez de los apoyos.

hGAn

K


3.3. Amortiguamiento

- En las dos anteriores opciones el amortiguamiento estructural era del 5%

- Se introducen amortiguadores discretos en distintos puntos de la estructura para disipar energía.

- Tipos de amortiguadores:

- Amortiguador de fluido viscoso

Permiten movimientos lentos

F = C v

- Amortiguador precomprimidos

F = F0 + K x + C v

Acciones estáticas: punto fijo hasta F0 y muelle para fuerzas mayores.

Ante acciones dinámicas se comportan como un amortiguador y un muelle trabajando en paralelo.


- Al introducir elementos no lineales es necesario un cálculo en el tiempo (time-history).

- La acción sísmica se define ahora a partir de acelerogramas que deben ser compatibles con el espectro de cálculo.

- Los esfuerzos sísmicos se resisten en el campo elástico (q=1)

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica4. Ejemplo de cálculo

- Tipología: Losa aligerada pretensada- Luces: 30.00 + 4 x 37.00 + 30.00- Longitud: 209.10 m- Trazado en planta: Recta + Clotoide (A=800)- Canto: 1.50 m (1/25)- Anchura del tablero: 12.80 m - Altura de pilas: 16.5 m a 39.0 m- Cimentación directa en todo el puente (0.45 N/mm2)- Procedimiento constructivo: Hormigón in situ sobre cimbra apoyada en el terreno. Construcción por fases (6)- Apoyos:

- E1: NOFRI 500x500x74(40) - P1: Neopreno 700x700x90(65)- P2: Neopreno 750x700x70(50)- P3: Neopreno 750x700x70(50) - P4: Neopreno 750x700x70(50)- P5: Neopreno 700x700x90(65)- E2: NOFRI 500x500x74(40)


Acción sísmica (NCSE-02)

- Aceleración sísmica básica: 0.07g (>0.04g)- Coeficiente adimensional de riesgo: 1.30 (vía de alta capacidad)- Coeficiente de suelo: 1.30 (tipo II)- Amortiguamiento: 5%- Ductilidad: 1

0.237

0.031

0.0820.098

0.095

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T (s)

Ace

lera

ció

n /

g


Modelización


Análisis modal

0.237

0.031

0.0820.098

0.095

0.123

0.237

0.000

0.050

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0.150

0.200

0.250

0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500

T (s)

Ace

lera

ció

n /

g

- Primer periodo longitudinal 3.4 seg (91% de masa movilizada)

- Primer período transversal 2.1 seg (83% de masa movilizada)


Primer modo longitudinal


Primer modo transversal


Análisis espectral

- Espectro de respuesta vertical = 0.70 Espectro horizontal

- Combinaciones:- x + 0.3y + 0.3z- 0.3x + y + 0.3z- 0.3x + 0.3y + z

- Espectros en las 3 direcciones

- Combinación de respuestas modalesSRSSCQC (<10%)


- Esfuerzos cortantes longitudinales


- Esfuerzos cortantes transversales


- Comprobación de la distorsión de los neoprenos

E1: 54 mm < 80 mm (transversal)P1: 74 mm < 130 mmP2: 43 mm < 100 mmP3: 22 mm < 100 mmP4: 20 mm < 100 mmP5: 55 mm < 130 mmE2: 66 mm < 80 mm (transversal)

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica5. Conclusiones

- Asumir un coeficiente de ductilidad en los cálculos implica suponer un daño y una necesidad de reparación en la estructura.

- Incertidumbre del comportamiento de estas estructuras ante posibles réplicas.

- La combinación de aislamiento y amortiguación en una estructura minimiza los esfuerzos sísmicos a los que se ve sometida.

- Dimensionar estructuras que gracias al aislamiento y la amortiguación puedan resistir los esfuerzos sísmicos en el campo elástico supone no tener que acometer actuaciones de reparación.

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