Diseño Estructural de Un Puente Carretero Con Aisladores Sismico

Estructuras para el Desarrollo, la Integracin Regional, y el Bienestar Social

DISEO ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CARRETERO CON AISLADORES SISMICOS TIPO PNDULO FRICCIONAL, UBICADO EN LA PROVINCIA DE SAN

JUAN, ARGENTINA.

STRUCTURAL DESIGN OF A HIGHWAY BRIDGE WITH PENDULUM FRICTIONAL TYPE SEISMIC INSULATORS, LOCATED IN THE PROVINCE OF SAN JUAN,

ARGENTINA.

Ricardo J. Uliarte (P) (1); Javier O. Morandi (2); Sergio Yazzar (3); Emanuel A. Bustos (4);

Juan A. Uliarte (5);

(1) M.C.I Ing. Civil Prof. Titular, UNSJ, Facultad de Ingeniera, San Juan, Argentina.

(2) M.Sc Ing. Civil Prof. Titular, UNSJ, Facultad de Ingeniera, San Juan, Argentina.

(3) Dr. Ing. Civil Prof. Titular, UNSJ, Facultad de Ingeniera, San Juan, Argentina.

(4) Ing. Civil, UNSJ, Facultad de Ingeniera, San Juan, Argentina.

(5) Estudiante Avanzado de Ing. Civil, UNSJ, Facultad de Ingeniera, San Juan, Argentina.

Direccin para correspondencia: [email protected]; (P) Presentador

Resumen

El trabajo tiene como objetivo presentar el diseo estructural de un puente carretero de cuatro tramos de

treinta metros de longitud cada uno, compuesto de vigas de hormign armado pretensado. La ubicacin

del mismo es en la provincia de San Juan, Argentina; sobre la Ruta Provincial N60 en el departamento

Ullum, cruzando el rio La Travesa. La zona es clasificada como de alta peligrosidad ssmica por lo cual el proyecto considera la incorporacin de aisladores Ssmicos tipo pndulo friccional entre el tablero del

puente y la infraestructura del mismo. Se ha previsto colocar 4 aisladores ssmicos por tramo, siendo

necesario para todo el puente un total de 16 aisladores. El terreno de fundacin est compuesto de

sedimento aluvial grueso, que presenta una muy buena capacidad de carga y baja compresibilidad, por lo

cual se decidi adoptar un sistema de fundacin directa de tipo superficial.

La metodologa de anlisis fue realizada con los programas SAP 2000 y mediante la utilizacin de rutinas

en el programa MATLAB. Se analizaron resultados para distintos registros ssmicos obteniendo

reducciones en las solicitaciones superiores al setenta y cinco por ciento en la estructura aislada,

comparada con la misma sin aislar. Se obtienen importantes reducciones de solicitaciones en estribos,

pilas y fundaciones, como tambin importante incremento de desplazamientos relativos entre el tablero

del puente y la subestructura del mismo.

Palabras clave: Puente, Aislamiento Ssmico, Pndulo Friccional, FPS.

Abstract

The work aims to present the structural design of a four sections highway bridge of thirty meters long

each, composed of prestressed concrete beams. The location of it is in the province of San Juan,

Argentina; Provincial Route N 60 in the department Ullum, crossing the river "La Travesa". The area is

classified as high seismic hazard therefore the project includes the addition of Seismic frictional

pendulum isolators between the bridge deck and the infrastructure. It is planned to put 4 seismic isolators

per section that is a total of 16 isolators for the entire bridge. The subsoil is composed of coarse alluvial

sediment, which has a very good capacity and low compressibility, so it was decided to adopt a system of

direct surface-type foundation.

The methodology of analysis was performed with the 2000 SAP programs and routines using the

MATLAB program. Results were analyzed for different seismic records obtaining reductions over seventy

five percent in the isolated structure, compared to the structure without isolation. Significant reductions

in stresses in abutments, piles and foundations, as well as significant increase in relative displacement

between the bridge deck and substructure are obtained.

Keywords: Bridge, Seismic Isolators, Frictional Pendulum, FPS.


1. INTRODUCCIN.

El proyecto corresponde a un puente ubicado en la Provincia de San Juan sobre la ruta

provincial N 60, departamento Ullum atravesando el rio La Travesa. La zona es clasificada como la de mayor peligrosidad ssmica de la Argentina, por lo cual el proyecto considera la

alternativa de incorporar aisladores ssmicos tipo pndulo friccional entre la superestructura y la

infraestructura. Se ha previsto colocar 2 aisladores ssmicos por cada apoyo, siendo necesario

para todo el puente un total de 10 aisladores.

El terreno de fundacin est compuesto de gravas arenosas de compacidad media de 15

metros espesor, determinado en sondeos geofsicos arrojando velocidades de ondas P mayores a

1200m/s, lo cual representa una muy buena capacidad de carga y baja compresibilidad del

terreno. Suelo clasificado, segn reglamento Inpres Cirsoc, como suelo tipo II. El puente est compuesto en sentido longitudinal por cuatro tramos de 30 metros cada

uno, lo que da una Longitud Total de Puente de 120 m. A la entrada y salida del puente, se han

considerado Estribos cerrados que actan de apoyos extremos para la superestructura. En sentido

transversal por una Calzada de 8,30 m y por dos zonas de veredas de 1,65 m cada una, lo que

arroja un ancho total de puente de 11,60 m.

En la siguiente figura 1, se observa la superestructura, formada por: barandas de

seguridad, carpeta de rodamiento, losa del tablero, vigas premoldeadas, vigas cabecera y viga

de vinculacin (Tmpano). La infraestructura se compone de los siguientes elementos: estribos y

pilas. Tambin podemos observar en figuras (2), (6), (7) cortes en zonas de pila y estribos que

representan la ubicacin de los FPS. ESTRIBO PILA

Tablero

Viga

principal

Viga Tmpano

Intermedia

Viga

Tmpano

Escalera de Desages

ESTRIBO

figura 1: Vista Lateral del Puente.

Vigas

Principales

Viga cabecera

en forma de "I"

Proyeccion

Aisladores

Vigas

Principales

Viga cabecera

en forma de "C"

Estribo

Proyeccion

Aisladores

Figura 2: Se observa, en planta luego de retirar el tablero del puente, la ubicacin de las vigas

Premoldeadas apoyadas sobre Viga Cabecera de Pila y Estribo.


Los apoyos intermedios estn resueltos con una pila formada por una viga cabecera sobre

una seccin rectangular formando un solo conjunto, cuya fundacin es del tipo superficial a 6

metros por debajo del nivel del lecho del ro.

Cada tramo de superestructura, de 30.00 m de longitud, se resolvi mediante el uso de

cinco vigas prefabricadas en hormign premoldeado, de seccin tipo I (o doble T) Con relacin a los FPS (Friccional Pendul System o Sistema de Pndulo Friccional) se

debe manifestar que existen tres generaciones, el primero en el cual se tiene una superficie

cncava, un deslizador y una superficie recta, a utilizar en el puente sobre el rio La Travesa; en la segunda generacin se tiene doble curvatura y un deslizador; mientras que los de la tercera

generacin, son dos aisladores de doble curvatura en uno solo dispositivo. En la figura 3 se

aprecian los tres tipos de FPS.

Figura 3: Se observan los tres tipos de Aisladores Primera, Segunda y Tercera generacin,

respectivamente.

En la figura 4 a, se presenta una posible forma de modelar en SAP2000 el triple pndulo

de friccin. En la grfica de la figura (4 b) se observa la constitutiva del aislador de triple

pndulo de friccin para los distintos regmenes de trabajo del aislador.

Gap 3 Gap 3

Gap 2 Gap 2

Superestructura

Elementos

Viga Rigida

Pndulo de

Friccion 1

Pndulo de

Friccion 2

Pndulo de

Friccion 3

Desplazamiento Total

Fue

rza

Ho

rizo

nta

l

Rgimen I

Rgimen II

Rgimen III

Rgimen V

Rgimen IV

a) b)

c)

Figura 4: a) Se observa una manera de modelar en SAP2000 el aislador de triple pndulo de

friccin. b) Se observa la grfica de fuerza-desplazamiento para los distintos regmenes de

trabajo del aislador. c) Se presenta un esquema del Triple Pndulo de Friccin.


En el Apoyo de Triple Pndulo, los tres mecanismos de pndulo se activan

secuencialmente a medida que los movimientos del sismo se tornan ms fuertes (figura 4 c) . Los

sismos de desplazamientos bajos y altas frecuencias son absorbidos por el pndulo interno de

baja friccin y de periodo corto. Para los sismos ms fuertes de Nivel de Diseo, tanto la friccin

como el periodo aumentan, lo que resulta en menores desplazamientos del apoyo y menor

cortante basal en la estructura. Para el sismo ms fuerte de los sismos Mximos Crebles, tanto la

friccin del apoyo como la rigidez lateral aumentan, reduciendo el desplazamiento del apoyo.

Cuando se disean para el Mximo sismo Creble, las dimensiones en planta del apoyo de Triple

Pndulo son aproximadamente el 60% del de las de un Apoyo de Pndulo Simple equivalente.

2. DISEO DE PNDULOS FRICCIONANTES.

La respuesta de los FPS (Sistema de Pndulo Friccional) est gobernada por la misma

ecuacin que gobierna el movimiento de pndulos convencional. Por lo tanto su periodo de

vibracin es directamente proporcional al radio de la curvatura de la superficie cncava, R. La

disipacin de energa en este tipo de dispositivo se produce por la friccin entre deslizador

articulado (lenteja de tefln) y la superficie cncava (acero inoxidable), al mismo tiempo que la

carga axial, P, crea una fuerza de restauracin debida a la curvatura del dispositivo. El

funcionamiento del FPS se esquematiza en la figura 5.

2.1. Filosofa de diseo.

A continuacin se presentan algunos criterios para el diseo de estos dispositivos:

La capacidad de desplazamiento del dispositivo deber ser mayor o igual que la mxima demanda calculada en el diseo. El clculo de la demanda debera considerar el MSC (mximo

sismo considerado) y los efectos del envejecimiento, cambios de temperatura, etc. En las

propiedades del elemento.

A diferencia de los LRB, los FPS debido a su configuracin y construccin en acero, tienen gran capacidad de carga axial, gran capacidad de desplazamiento y no tienen problemas de

estabilidad.

Figura 5: Funcionamiento de un FPS.


Baranda Flex Beam

Veredn Peatonal

Losa de Calzada

Tope

ssmico

Aislador Ssmico

Tipo FPS

Viga cabecera

en forma de "I"

a)

Viga cabecera

en forma de "I"

Pila

Viga PrincipalTope

ssmico

Aislador Ssmico

Tipo FPS

Viga

Tmpano

Baranda Flex Beam Losa de Calzada

b)

Figura 6: a) Corte Transversal y b) Corte longitudinal del puente en sector de pila.

En a) Se observan dos aisladores tipo pndulo fricciona de un radio de curvatura de

1,50m. Este tipo de pndulo friccional tiene un dimetro un 40 % ms grande que el triple

pndulo friccional

La figura 7 corresponde a un corte similar al de la figura 6, pero en este caso es por el apoyo

inicial y final, denominados estribos del puente.


Baranda Flex BeamVeredn Peatonal

Losa de Calzada

Viga cabecera

en forma de "C"

Aislador Ssmico

Tipo FPS

Viga cabecera

en forma de "C"

Tope

ssmico

Aislador Ssmico

Tipo FPS

Baranda Flex Beam Losa de Calzada

Viga de Bancada

de Estribo

Viga Tmpano

Viga Principal

Figura 7: Cortes Transversal y Longitudinal del Puente en sector de Estribo

La teora que se presenta puede ser usada de distintas formas para el diseo de los FPSs. Sea cual fuere el procedimiento utilizado el diseo debe resultar en la siguiente informacin

necesaria para que el fabricante pueda construir el dispositivo:

1. Dimetro 2. Radio de curvatura 3. Coeficiente de Friccin


Al igual que los LRB (Lead Rubber Bearing) o aisladores de goma, una vez que estos

parmetros son definidos, es conveniente que el diseador busque en los catlogos de los

fabricantes dispositivos con las mismas o superiores caractersticas. El utilizar dispositivos que

aparecen en los catlogos siempre ser ms econmico que utilizar dispositivos especialmente

fabricados para el proyecto. Otra recomendacin importante es utilizar a medida de lo posible el

mismo tipo de dispositivo en toda la estructura. Aunque esto pudiera parecer a primera vista poco

optimo, resulta conveniente econmicamente debido al ahorro que produce al no tener que

realizar las costosas pruebas de laboratorio necesarias para establecer las propiedades reales de

los prototipos previos al diseo final y construccin de la estructura. Detalles especficos sobre

las especificaciones de los materiales, espesores de las superficies de contacto son comnmente

manejados por el fabricante.

2.2. Respuesta fuerza lateral desplazamiento del FPS.

La respuesta fuerza lateral desplazamiento de un FPS puede ser idealizada como se

muestra en la figura 8 con una histresis bilineal. Este modelo captura los principales rasgos del

comportamiento del dispositivo aunque ignora los efectos de la velocidad de aplicacin de la

carga lateral y de los cambios en carga axial en la respuesta. Del anlisis de la figura 5 y figura 8

se obtienen muchas de las relaciones necesarias para el diseo del dispositivo.

La resistencia al desplazamiento lateral del dispositivo tiene dos componentes. El primero

es por la friccin generada entre el deslizador articulado y la superficie cncava. Esta fuerza

resulta del producto de la fuerza normal a la superficie, W.cos (), y el coeficiente de friccin dinmico entre las dos superficies en contacto, .La fuerza de friccin es el nico componente de

resistencia que existe cuando el dispositivo est en su posicin no desplazada tal como se observa

en la figura 8.

Figura 8: Modelo idealizado de respuesta lateral de un FPS.

La otra fuente de resistencia viene de la componente de W.sin (), que acta como fuerza

de restauracin en direccin tangencial a la superficie cncava. Cuando el desplazamiento , del

dispositivo es pequeo comparado con su radio de curvatura, R, el cos (), se aproxima a 1 y el

sin () a . Por lo tanto la fuerza lateral del FPS se relaciona con el desplazamiento por medio de la ecuacin (1) en donde la resistencia caracterstica del dispositivo viene dada por la ecuacin (2) y la rigidez post-fluencia, , por la ecuacin (3).

(1)

(2)


(3)

Al relacionar en la ecuacin (1) con el desplazamiento de diseo se obtiene la

rigidez efectiva dada por (4).

(4)

La fuerza de restauracin que trata de devolver al dispositivo a su posicin original luego

del sismo depende directamente de FEMA 450 requiere para el diseo de edificios aislados, que la fuerza de restauracin al nivel de desplazamiento de diseo , sea al menos W/40 mayor

que la fuerza de restauracin a 50% del . Donde W es la carga gravitacional que soporta el dispositivo. Esta condicin se cumple con la siguiente ecuacin:

(5)

Las especificaciones para el diseo de puentes aislados de AASHTO (2000) son menos

exigentes y requieren que la fuerza de restauracin a , sea al menos W/80 mayor que la fuerza

de restauracin a 50% del y que el periodo de vibracin del sistema de aislamiento calculado en base sea menor que 6 segundos. Estos dos requisitos se satisfacen con las siguientes ecuaciones:

(6)

(7)

Al igual que en el caso de los LRB, el amortiguamiento equivalente de los FPS puede

estimarse con el mtodo de Jacobsen en funcin de la curva de histresis, lo que resulta en la

ecuacin (5).

(

) (8)

4. DISEO DE PNDULOS FRICCIONANTES.

Una vez definido el esquema estructural con la ubicacin y cantidad de aisladores

necesarios, se comienza con el procedimiento de diseo.

4.1. Procedimiento de diseo.

A continuacin se presenta un procedimiento de diseo de FPSs, con los siguientes datos de entrada:

Desplazamiento laterales causados por cargas de servicio .

Resistencia lateral requerida por cargas de servicio .

Peso soportado por el dispositivo

Tensin admisible a compresin del tefln para conformar la lenteja.

Con esta informacin el diseo se ejecuta de la siguiente manera:


PASO 1: Determinacin del dimetro de la lenteja de tefln. Se procede a determinar el dimetro de la lenteja en funcin de la carga transmitida por

la estructura, para ello se divide W en la tensin admisible del material de la lenteja

obtenindose .

PASO 2: Se adopta un valor de radio R mayor a 1.0 metro y un valor de coeficiente de friccin entre la superficie tefln - acero inoxidable.

PASO 3: Determinacin del mximo desplazamiento.

Se determina para el mximo sismo considerado ( ) el valor de desplazamiento mximo. Para ello es recomendable hacerlo mediante una integracin en el tiempo, que considere

la no linealidad de la constitutiva.

PASO 4: Verificaciones.

Se deber verificar lo indicado por las ecuaciones (5) a (7), respecto al valor de la rigidez

equivalente.

PASO 5: Determinar las dimensiones del aislador.

El FPS deber tener un tamao suficiente para acomodar los deslazamientos laterales por

cargas de servicio , ms los desplazamientos generados por el MSC (mximo sismo considerado); tambin tendr en cuenta el dimetro de la lenteja de tefln . El dimetro mnimo requerido para el dispositivo se calcula con la ecuacin (9).

(9)

Si es necesario, se volver al PASO 1 para variar el radio de curvatura R y/o el coeficiente de friccin de acuerdo a los requerimientos para obtener el diseo final.

En los pasos anteriores se han encontrado todos los factores que definen la respuesta

lateral del dispositivo. Adems se ha determinado el dimetro mnimo para el FPS. El siguiente

paso es obtener del fabricante, las propiedades de un dispositivo real, construible, cuyas

propiedades se acerquen lo ms posible a las propiedades en el diseo. Estas propiedades se

obtienen generalmente con ensayos de carga realizados sobre los prototipos de los dispositivos.

As lo disponen FEMA 450 y AASHTO. Adems estas propiedades debern modificarse para

considerar los efectos de cambios de temperatura, envejecimiento y de otros factores

ambientales. De acuerdo a (Bucle y Constantiou, 2006).

Una vez que se conocen las propiedades reales del dispositivo que se instalara en el

sistema de aislamiento se procede con el diseo de la superestructura.

5. RESULTADOS OBTENIDOS

Con el objeto de visualizar el comportamiento para diferentes excitaciones ssmicas, se

prepar un modelo simplificado al que se lo someti a diferentes registros ssmicos para obtener

su respuesta. El modelo considera que la estructura tiene un comportamiento lineal a excepcin

de los aisladores ssmicos que presentan una respuesta no lineal.


Figura 9: Registros Ssmicos considerados en el estudio de la respuesta del Puente. Se

observa en primer lugar el registro de la ciudad de Caucete (SJ- Arg 1977) escalado a 0.35 de g,

en segundo lugar se encuentra un registro sinttico segn la Metodologa de (Clough Rw., et al;

1975) compatible con el espectro de la Norma INPRES CIRSOC para suelo Tipo II. El tercer

registro corresponde de El Centro (EE.UU, 1940), en cuarto lugar el registro de Mxico (1985) y

por ltimo, el registro ssmico de Melipilla (Chile, 1985).

Para el estudio se realiz un modelo simplificado que se muestra en el siguiente

esquema. Ver figura 10. Como resultado de aplicar el Procedimiento de diseo, detallado

anteriormente, se obtuvieron los siguientes valores: Radio de curvatura R=1,50m; Coeficiente de


friccin =0.03; Dimetro D=1,30 m; Dimetro de la lenteja de Tefln Dt= 0.40 m,

Desplazamientos de servicio = 0,05 m. Coeficiente de Balasto del Suelo: 10 kg/cm3.

Figura 10: Esquema Simplificado del modelo.

Se presenta la respuesta del puente con aislamiento ssmico para diferentes registros de

terremotos, presentndose en este caso la reduccin correspondiente al Corte Basal. Esta

reduccin 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 70 %.

Se hace notar que para el registro de Mxico, colocar un sistema de sistema de

aislamiento ssmico que lleve el perodo fundamental de la estructura a valores de 2 segundos o

ms, es contraproducente debido a que el registro tiene caractersticas que lo que hace es

incrementar la respuesta de las estructuras que tengan estos valores de perodo propio (2

segundos o ms). Esto puede deducirse del espectro de respuesta de Mxico, figura 9. Si se

observa este espectro y se sigue la idea de salirse de la zona de perodos en que las aceleraciones

son mayores, para el caso de Mxico sera conveniente construir Puentes o edificios con perodos

muy inferiores a los dos segundos.

Por otro lado se hace notar que la reduccin de las solicitaciones tiene como contrapartida

el aumento de los desplazamientos relativos del tablero respecto de la infraestructura (ver figura

12), lo que lleva a la necesidad de disear juntas que puedan absorber adecuadamente estos

desplazamientos sin que interfieran en la respuesta ssmica y que luego de producido el terremoto

quede inmediatamente restablecido el uso del puente.

Se presenta, en la Tabla 1 y en la figura 11, los resultados del proceso de diseo para

distintos valores de radio de curvatura y coeficiente de friccin. Los resultados expuestos

corresponden a: desplazamiento mximo segn sismo de diseo, tamao mnimo del aislador y

amortiguamiento efectivo del sistema. Los desplazamientos medidos corresponden a la

aplicacin del acelerogrma sinttico.

M1=540t (Tablero)

M2=114t (Infraestructura)

Fundacin

Sistema de Aislamiento


Tabla 1: Dimetros mnimos del FPS para diferentes Radios de Curvatura.

Radio [m] [%] [cm] Dimetro mnimo del FPS [cm] - Ec.(9)

[%] Ec.(8)

100

3 30,5 99 5,7

5 24,4 87 10,8

7 20,1 79 16,4

150

3 40,5 119 6,4

5 28,1 95 13,4

7 19,7 78 22,1

200

3 46,5 135 7,0

5 34,6 108 14,3

7 21,3 81 25,2

250

3 46,1 133 8,7

5 34,8 108 16,8

7 22,6 84 27,8

300

3 45,2 126 10,9

5 33,0 104 19,9

7 22,7 84 30,6

Figura 11: Graficas de desplazamientos mximos para aisladores de distintos radios de

curvatura y coeficiente de friccin.


Figura 12: Respuesta Ssmica del Corte Basal considerando el Sistema de Aislamiento Ssmicos

de Pndulo Friccional (lnea gruesa) y sin aisladores ssmicos (lnea fina).

6. CONCLUSIONES.

Para el puente estudiado, se obtuvieron reducciones superiores al 70% en el corte basal en pilas y estribos, comparando el puente con y sin aislamiento.

Para el caso del puente aislado ssmicamente, la estructura permanece prcticamente en rango de comportamiento lineal, lo que reduce los daos y aumenta su vida til.

Se presenta un esquema en el cual se muestra que es relativamente sencillo el combinar la tcnica de construccin tradicional de puentes de vigas premoldeadas con la incorporacin de

aisladores ssmicos tipo pndulo friccional.

Se observa que si el suelo tuviera caractersticas similares al de la ciudad de Mxico, sera contraproducente instalar un sistema de aislamiento ssmico que eleve el periodo fundamental

de la estructura a valores superiores a los 2 segundos.


AGRADECIMIENTOS.

Agradecemos a la Facultad de Ingeniera y al Instituto de Materiales y Suelos de la

Universidad de San Juan por el apoyo recibo en el trabajo de investigacin motivo de la presente

publicacin.

BIBLIOGRAFA

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Uliarte, R. y otros (2006) Aislador friccional con disco de goma como fuerza restitutiva. Jornadas de la Asociacin de Ingenieros Estructurales de Argentina.

Zayas V., y otros (1989), Feasibility and performance studies on improving the earthquake resistance of new and existing buildings using the friction pendulum system. Earthquake Engineering Research Center. University of California al Berkeley, Report N.-UBC/EERC-

89/09, 308 p., Berkeley, California.

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