DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CARRETERO CON AISLADORES SISMICOS DEL TIPO ELASTOMERICOS EN LA PROVINCIA DE SAN JUAN

Rodriguez, Sergio1; Uliarte, Ricardo2: Morandi Javier3

1Facultad de Ingeniería

Av. Lib. San Martín 1109 (oeste), San Juan, sergiorodriguez.011@gmail.com

2Facultad de Ingeniería

Av. Lib. San Martín 1109 (oeste), San Juan, ruliarte@ims.unsj.edu.ar

3Facultad de Ingeniería

Av. Lib. San Martín 1109 (oeste), San Juan, jmorandi@ims.unsj.edu.ar

RESUMEN

El trabajo tiene como objetivo presentar el diseño estructural de un puente carretero de un tramo de cincuenta metros de longitud a construirse en la provincia de San Juan, sobre la ruta provincial numero ochenta y seis en el departamento de Albardón y que cruza el Rio Ávila. Esta zona es de alta peligrosidad sísmica por lo cual el proyecto considera la alternativa de incorporar Aisladores Sísmicos elastoméricos entre el tablero del puente y la infraestructura del mismo.

El análisis fue realizado con los programas SAP 2000 y mediante la utilización de rutinas en MATLAB.

Los resultados muestran reducciones en las solicitaciones superiores al trescientos por ciento de la estructura aislada comparada con la misma estructura sin aislar.

Palabras clave: Puente, Aislamiento Sísmico, Elastomérico.

INTRODUCCIÒN

El presente trabajo tiene como objetivo demostrar la acción de aisladores elastomericos con núcleo de plomo aplicados a un puente carretero sobre el Rio Ávila, en el departamento de Albardón, en la provincia de San Juan, Argentina.

El puente en estudio tiene una luz de 50 metros, compuesta por dos tramos de 25 metros cada uno. Al igual que la mayoría de los puentes realizados en nuestro país, es de hormigón armado elaborado in situ mediante encofrados. Está formado por dos grandes partes, la superestructura, formada por barandas de seguridad, carpeta de rodamiento, losa del tablero, vigas premoldeadas y viga de vinculación y La infraestructura compuesta por los siguientes elementos: vigas cabecera ,pilas y pilotes (fundación).

DESCRIPCION GENERAL DEL PUENTE Y DEL AISLAMIENTO SISMICO

El puente está formado por 2 estribos cerrados (ver detalle de figura Nº1) y una pila central (ver detalle de figura Nº2) y la altura del mismo es de 4,5 metros. Posee una fundación profunda

mediante pilotes a 10 metros de profundidad. La superestructura está formada por 5 vigas principales de 25 metros de longitud cada una de hormigón pretensado, en la figura Nº3 podemos

ver la disposición de las mismas

Figura Nº1: Esquema general de superestructura e infraestructura del puente.

Figura Nº2: Esquema general del estribo Figura Nº3: Esquema pila central.

Figura Nº4: Disposición de vigas principales.

En cuanto al sistema de aislación, es un sistema de aisladores elastomericos con núcleo de plomo (LRB). En la figura Nº5 podemos ver un esquema de los mismos, con sus distintas partes y sus respectivas dimensiones, que más adelante explicaremos paso a paso como calcular cada una.

Figura Nº5: Esquema de un LRB

La disposición de los LRB en la estructura del puente, se colocaron en la parte inferior de la viga de bancada, tal como se muestra en la figura Nº7.

Soporte superior de acero para la superestructura

Soporte inferior de acero para la estructura anclada

Núcleo de Plomo

Lamina de Acero

Capa interna de caucho

Recubrimiento de caucho

Dr= 0,80 m

Gelastomero=10 Kg/cm2

Figura Nº6: Disposición de los dispositivos de aislamiento sísmico.

FILOSOFIA DE DISEÑO

A continuación se presentan algunos criterios para el diseño de estos dispositivos:

La capacidad de desplazamiento del dispositivo deberá ser mayor o igual que la máxima demanda calculada en el diseño. El cálculo e la demanda debería considerar el SMC y los efectos del envejecimiento, cambios de temperatura, etc. En las propiedades del elemento.

El dispositivo deberá diseñarse para soportar la acción combinada de fuerzas laterales, axiales y de torsión.

El dispositivo será dúctil y responderá de forma predecible sin perdida apreciable de resistencia frente a cargas laterales.

El dispositivo no deberá pandearse o desestabilizarse por la acción combinada de cargas axiales y laterales.

RESPUESTA FUERZA LATERAL-DESPLAZAMIENTO

Con fines de diseño y análisis, es comunmente aceptado (FEMA 2003, AASHTO 2000) el idealizar la respuesta lateral de los LRB’s con una curva histerética lineal tal como se muestra en la figura nº 7. La curva bilineal resulta de la acción en paralelo del elastomero, para el cual se asume una respuesta elástica, y del núcleo de plomo, que se modela como elastoplastico. Este modelo captura los principales rasgos del comportamiento del dispositivo. Del análisis de la figura Nº7 se obtienen muchas de las relaciones necesarias para el diseño del dispositivo.

Figura Nº7: Respuesta lateral idealizada para un LRB.

Fuerza

Desplazamiento

Energía Disipada

Ku

Ke Veq

Δeq

Kr

Vr

Qv

PASOS PARA EL DISEÑO DE LOS AISLADORES ELASTOMERICOS CON NÚCLEO DE PLOMO

A continuación se presenta un procedimiento de diseño para los aisladores elastomericos con núcleo de plomo. Dicho procedimiento es aplicable tanto a edificios como a puentes, y permite obtener el diseño completo con los siguientes datos de entrada:

Δeq = desplazamiento de diseño

Δs = desplazamientos laterales causados por cargas de servicio

Θ = Rotación inducida por cargas de servicio

Veq =Resistencia lateral requerida por sismo

Vs = Mínima resistencia lateral requerida por cargas de servicio

W = Carga gravitacional sobre el dispositivo

ξa = Amortiguamiento equivalente, utilizado para el cálculo de Veq

Con esta información el diseño se ejecuta de la siguiente manera:

PASO 1: Determinación de la rigidez post fluencia, Kd

La rigidez post fluencia del dispositivo de disipación deberá ser igual a la calculada

mediante la ecuación 1.1 :

(

)

( )

ec. 1.1

No obstante deberá verificarse que sea mayor que los valores calculados en las ecuaciones 1.2 , 1.3 y 1.4. El cumplimiento de este requerimiento asegura que el dispositivo tenga los niveles mínimos de restauración explicados previamente.

(FEMA 450) ec. 1.2

(AASHTO 2003) ec. 1.3

ec. 1.4

PASO 2: Primera estimación del diámetro del núcleo de plomo.

La resistencia característica del dispositivo se obtiene mediante la ecuación 2.1:

ec. 2.1

Luego, asumiendo que la fuerza de fluencia del dispositivo de aislación es 10% mayor que y que la relación entre y es 10, se obtiene la ecuación 2.3 a partir de la ecuación 2.2:

ec. 2.2

√

ec. 2.3

El diámetro obtenido de esta manera deberá ser mayor que el requerido para resistir las fuerzas laterales de servicio . El diámetro mínimo del núcleo de plomo se calcula con la ecuación 2.4 derivada de la ecuación 2.2:

√

ec. 2.4

Pudiera resultar de la aplicación de esta ecuación que resulte negativo. Esto significará que no se requiere un núcleo de plomo en el dispositivo. Significa además que solo el elastómero podría ser suficiente para proporcionar la resistencia necesaria. Sin embargo esta conclusión debería ser verificada reduciendo el amortiguamiento empleado para calcular la resistencia de diseño ya que los elastómeros normales tienen noveles de amortiguamiento mucho menores que los de los dispositivos de aislación.

PASO 3: Determinación del diámetro externo del dispositivo.

Esta determinación requiere asumir la altura total de las capas del elastómero, , y el

espesor de cada capa de elastómero, . Se recomienda que el valor de no se tome mayor que

9mm (Buckle y Constantinou, et al, 2006). El valor de debe corregirse mediante un proceso iterativo, sin embargo, como punto de partida el diseñador debe escoger un valor con base en su experiencia o tomando como referencia catálogos de los fabricantes.

Para el valor asumido de y con el valor estimado de se encuentra con la ecuación 3.1:

√

ec. 3.1

Para el diámetro externo encontrado, es necesario comprobar la estabilidad del dispositivo calculando el factor de seguridad contra inestabilidad. Se recomienda tomar un factor de seguridad contra inestabilidad de por lo menos 1,5.

PASO 4: Chequeo de niveles de deformación del elastómero.

La deformación de corte en el elastómero por carga gravitacional deberá estar por debajo de los valores establecidos en las ecuaciones 4.1 , 4.2 y 4.3:

ec. 4.1

ec. 4.2

ec. 4.3

Siendo la deformación por corte causada por cargas de servicio, deformación por corte

causada por sismo y la deformación por corte causada por el giro del apoyo.

El cálculo de las deformaciones se realiza mediante las siguientes ecuaciones:

ec. 4.4

ec. 4.5

ec. 4.6

Siendo Tr la altura efectiva del aislador.

Si los valores de deformación obtenidos son menores a los determinados en las ecuaciones 4.1, 4.2 y 4.3, entonces la altura seleccionada es la adecuada. Caso contrario se deberá incrementar la altura y comenzar nuevamente el proceso desde el paso 3.

Si se incrementa la altura, se debe tener en cuenta que la estabilidad del dispositivo se verá afectada. El incrementar la altura también incrementa el costo del dispositivo.

Cuando los límites de deformación no puedan satisfacerse, el diseñador deberá considerar utilizar otro tipo de dispositivo distinto al dispositivo de aislación por elastómero.

La altura total del dispositivo sin considerar las placas de sujeción puede estimarse considerando placas de confinamiento de 1mm de espesor. El uso de placas de otros espesores es normalmente estudiado por el fabricante.

PASO 5: Verificación de las dimensiones del núcleo de plomo.

Un valor refinado de puede despejarse de la ecuación 5.1

ec. 5.1

Y el valor correspondiente a podemos obtenerlo de la ecuación 2.2

Si este valor difiere significativamente del obtenido en el paso 2, el proceso de diseño deberá repetirse desde el paso 3 con el nuevo valor de .

PASO 6: Calcular factores de ajuste y propiedades máximas y mínimas para el dispositivo.

En los pasos anteriores se han encontrado todos los factores que definen la respuesta lateral del dispositivo. Además se ha comprobado que el dispositivo es estable, que tiene una adecuada capacidad de restauración y que el elastómero no alcanza límites de deformación críticos.

El siguiente paso es obtener las propiedades de un dispositivo real (obtenidas del fabricante), construible, cuyas propiedades se acerquen lo más posible a las propiedades obtenidas en el diseño. Estas propiedades se obtienen generalmente con ensayos de carga realizados sobre los prototipos de los dispositivos. Así lo disponen FEMA 450 y ASSHTO. Además estas propiedades deberán modificarse para considerar los efectos de cambios en la temperatura, envejecimiento y de otros factores ambientales.

Una vez que se conocen las propiedades reales del dispositivo que se instalara en sistema de aislamiento se procede con el diseño de la superestructura.

RESULTADOS OBTENDOS

Se realiza un análisis no lineal en el tiempo del puente considerando aisladores elastoméricos de las siguientes dimensiones, los cuales cumplen con los requisitos que indican los pasos indicados anteriormente.

Se presentan las reducciones en el corte basal que se obtienen para diferentes registros sísmicos.

Figura Nº8: Registros Sísmicos considerados en el estudio de la respuesta del puente.

Figura Nº 9: Respuesta Sísmica del Corte Basal del Puente sobre el río La Travesía considerando aisladores Sísmicos de Goma (línea gruesa) y sin aisladores sísmicos (línea fina).

Para el estudio se realizó un modelo simplificado que se muestra en el siguiente esquema.

REGISTROS UTILIZADOS:

La Figura Nº8 muestra los registros sísmicos utilizados.

Se presenta la respuesta del puente con aislamiento sísmico para diferentes registros de terremotos, presentándose en este caso la reducción correspondiente al Corte Basal. Esta reducción al igual que para otras solicitaciones como por ejemplo: el Momento Flector, el Esfuerzo de Corte y las Presiones sobre el terreno se reducen muy significativamente en el orden del 300 % .

Se hace notar que para el registro de México, colocar un sistema de aislamiento sísmico que lleve el período fundamental de la estructura a valores de 2 segundos o más, es contraproducente debido a que el registro tiene características que lo que hace es incrementar la respuesta de las estructuras que tengan estos valores de período propio ( 2 segundos o más). Esto puede deducirse del espectro de respuesta de México, Figura Nº 8. Si se observa este espectro y se sigue la idea de salirse de la zona de períodos en que las aceleraciones son mayores, para el caso de México sería conveniente construir Puentes o edificios con períodos muy inferiores a los dos segundos.

Por otro lado se hace notar que la reducción de las solicitaciones tiene como contrapartida el aumento de los desplazamientos relativos del tablero respecto de la infraestructura, lo que lleva a la necesidad de diseñar juntas que puedan absorber adecuadamente estos desplazamientos sin

M1, corresponde a superestructura=540 ton.

M2, correspondiente a Infraestructura=114 ton.

Aislador

que interfieran en las respuesta sísmica y que luego de producido el terremoto quede inmediatamente restablecido el uso del puente.

CONCLUSIONES Y/O RECOMENDACIONES

Se obtuvieron reducciones significativas del orden del 300% en el corte basal en pilas.

La estructura permanece prácticamente en rango de comportamiento lineal, lo que reduce la ocurrencia de daños y aumentando su vida útil.

Se presenta un esquema en el cual queda plasmado que es relativamente sencillo el combinar la técnica de construcción tradicional de puentes de vigas Premoldeadas pretensadas con la incorporación de aisladores sísmicos tipo LRB (Aisladores sísmicos elastomericos).

BIBLIOGRAFÍA

Buckle, I. G; Liu, H. (1994) “Critical Loads of Elastomeric Isolator at High Shear Strain”. Proc 3° US-Japan Workshop on Earthquake Protective Systems for Bridges”.

Buckle, I. G; Constantinou, M. (2006) “Seismic Isolation of Highway Bridges”.

Calvin M, Kingsley G. R. (1997) “Displacement based seismic desing of muti degree of freedom bridge structures”.

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FEMA, (2003), “NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for new Buildings and other Structures” , (FEMA 450).

Jacobsen, L. S.; (1930) “Steady forced vibrations as influenced by damping”. ASME Transactione.

Uliarte, R.; Morandi J. y otros (2006) “Aislador friccional con disco de goma como fuerza restitutiva”. Jornadas de la Asociación de Ingenieros Estructurales.

Uliarte, R.; Morandi J. y otros (2012) “Puente Carretero con disipadores de energía”. Jornadas Sudamericanas de Ingeniería Estructural. Río de Janeiro. Brasil.