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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

• [email protected]

Diseño de puentes en zonas de alta sismicidad

ÍNDICE

1. Introducción

2. Estrategias de diseño

3. Ejemplos propios reales

4. Conclusiones


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



CAPACIDAD RESISTENTE Y DUCTILIDAD

VS

AISLAMIENTO Y AMORTIGUACIÓN



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.



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.



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.



2.3. Recentrado

- Importante en estructuras aisladas.

- Evitar actuar sobre la estructura tras evento sísmico.

- Resistencia a posibles réplicas.



2.4. Mantenimiento

- Necesidad de mantenimiento en algunas soluciones.



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)


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


- 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


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


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


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)


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)


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


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).


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 (?)


Amortiguador precomprimido transversal Amortiguador longitudinal


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


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


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


518


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


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


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




- Construcción: Grúa


1008


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)


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


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





- Construcción: Grúa


590



Longitudinalmente: Pilas centrales con neoprenos y amortiguadores en estribo

Transversalmente: Topes en pilas y estribos

El amortiguador resiste el frenado.

Neoprenos

Amortiguadores

POTPOT



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


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)



- Altura máxima de pilas: 48 m

- Cimentación: directa

- Construcción: voladizos sucesivos


433

130


21.8

3.2

5-6

.75


- 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.


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.


GRACIAS POR SU

ATENCIÓN

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