diseño aparatos de apoyo - fhecor

José Romo Martín

Estrategias de diseño antisísmico en puentes: del concepto a la realización práctica

José Romo MartínEstrategias de diseño antisísmico en puentes

El diseño de puentes en zona símica, requiere una

aproximación específica y particular, que depende en

gran medida de:

• Tipo estructural

• Intensidad sísmica de la zona

• Tipo de terreno de cimentación del puente.

• Condiciones de desplazamiento especiales

(puente de ffcc)

1


2

Disminución de la masaAislamiento

Amortiguación

Disminución de la rigidez


• Disminución de la masa vibrante:

• Utilización de tableros ligeros

• Disminución de la masa de la infraestructura

• Disminución de la rigidez:

• Disminución de las dimensiones generales

2


2

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000

Acele

ració

n [

m/s

2]

Periodo [s]

Puente sin aislamiento

Puentes con aislamiento

Aislamiento: modificar el periodo de vibración de la estructura para

reducir la aceleración a la que está sometida (separar el periodo de

vibración de la estructura de la del suelo). Introducción de neoprenos entre superestructura e infraestructura


2

Aislamiento: depende de las condiciones del suelo:

• Suelo duro, el aislamiento es eficaz

• Suelo blando el aislamiento puede no ser eficaz o incluso contraproducente


2

Aislamiento:

1/KE = 1/KP + 1/KN KP >>KN KE ≈ KN

EJEMPLO: Paso Superior 20 – 30 – 20 m

Pila 2.00 (transversal) x 0.80 (longitudinal)x 6 m (altura)

Comportamiento longitudinal: pila flexible

KP = 35000 kN/m

Neoprenos 2x0.60x0.60x0.15 (altura neta)

KN= G * A /H = 2x 2000 kN/m2 * 0.60*0.60/’0.15= 9600 kN/m

KE = 7500 kN/m

Masa tributaria 400 t

TCN = 2* π * (M/K E)1/2 = 2*3.14* (400/7500)0.50 = 1.45 s

Periodo sin neoprenos

TSN = 2* π * (M/K P)1/2 = 2*3.14* (400/35000)0.50 = 0.67 s

6.00 m

2 neoprenos de

0.60x0.60x0.15

0.80 m

K

MT 2


2

Periodo con neoprenos TCN = 1.45 s

Periodo sin neoprenos TSN = 0.67 s

Zona decreciente del espectro a= k /T

Reducción de la carga sísmica = 0.67/1.45= 0.46

6.00 m

2 neoprenos de

0.60x0.60x0.15

0.80 m

Tipo de

suelo

TB

I 0.40

II 0.52

III 0.64

IV 0.82


• Amortiguación

2

• Objetivos: disipar gran parte de la energía en dispositivos específicos para ellos:

• Los principales tipos de dispositivos antisísmicos son los siguientes:

• Apoyos de neopreno con alto amortiguamiento:

HDRB (High Dumping Rubber Bearings)

• Apoyos de neopreno con núcleo de plomo: LRB (Lead Rubber Bearings)

• Amortiguadores histeréticos con disipadores de acero

• Aisladores - Amortiguadores de péndulo deslizante

• Dispositivos hidráulicos: Amortiguadores Viscosos


2

• Apoyos de neopreno con alto amortiguamiento:

HDRB (High Dumping Rubber Bearings)

Diagrama Fuerza –Desplazamiento de apoyo

tipo HDRB


2

• Apoyos de neopreno con núcleo de plomo: LRB (Lead Rubber Bearings)


2

• Amortiguadores histeréticos con disipadores de acero


2

• Aisladores - Amortiguadores de péndulo deslizante

Teff es el periodo propio efectivog es la aceleración de la gravedadµ es el coeficiente de fricción dinámicoV es la carga verticalR es el radio de curvatura de la superficie de

deslizamientoD es el desplazamiento de diseñoKeff es la rigidez efectiva


2

• Dispositivos hidráulicos: Amortiguadores Viscosos


• Amortiguación

2

• Disipación de energía en rótulas plásticas

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035

Deformación [tanto por uno]

Te

nsió

n/f

ck

DIAGRAMA TENSIÓN DEFORMACIÓN HORMIGÓN CONFINADO

Hormigón H25

sin confinar

(valores

medios)

wwmin=

0.12

wwmin=

0.176

wwmin=

0.267

wwmin=

0.359

wwmin=

0.45

Diagrama

parábola

rectángulo H25

sin confinar

(gc=1.3)


• Amortiguación

2

• Disipación de energía en rótulas plásticas

José Romo MartínEjemplos de diseño antisísmico

3

Pasos superiores Albacete-Murcia


3

Viaducto de Cártama de la Línea de Alta Velocidad Córdoba-Málaga

Sismicidad amax=0.25 g Sismicidad media-baja

Estrategia antisísmica:

• Sismo transversal: se resiste en cada apoyo en régimen

elástico (daños mínimos)

• Sismo longitudinal: aislamiento mediante neoprenos altos y

anclados. Topes longitudinales en estribos


3

ALZADO

(NOTA: TODAS LAS COTAS ESTAN EN METROS)

ESTRIBO 1 ESTRIBO 2PILA 1 PILA 2

7.407.40 7.407.40

0.8000.800

17.000 17.00037.00071.000

ALZADO



7.407.40 7.407.40

0.8000.800

17.000 17.00037.00071.000

Neopreno

Tope transversal (sin holgura)

Tope longitudinal (con holgura)



3

SECCIÓN TRANSVERSAL

(NOTA: TODAS LAS COTAS ESTAN EN METRO)

CALZADAARGEN ARGENBARRERA BARRERA

0.500 0.5001.000 1.0008.0005.000

2.198 2.1980.752 0.7522.100

3.000

SECCIÓN TRANSVERSAL

(NOTA: TODAS LAS COTAS ESTAN EN METRO)

CALZADAARGEN ARGENBARRERA BARRERA

0.500 0.5001.000 1.0008.0005.000

2.198 2.1980.752 0.7522.100

3.000

Neopreno

Tope transversal (sin holgura)


0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000

Acele

ració

n [

m/s

2]

Periodo [s]

Periodo transversal

Periodo longitudinal

ALZADO



7.407.40 7.407.40

0.8000.800

17.000 17.00037.00071.000

ALZADO



7.407.40 7.407.40

0.8000.800

17.000 17.00037.00071.000


3



3


Sismicidad amax=0.26 g Sismicidad media-baja

Puente de ferrocarril=>

• Punto fijo longitudinal frente al frenado

• Tablero rígido con mucha masa.


• Sismo transversal: se resiste en cada apoyo en régimen

elástico (daños mínimos)

• Sismo longitudinal: amortiguador bidireccional en estribo fijo

+ recentrado elástico mediante dos pilas centrales (punto

fijo para movimientos)


3



3


Aparato de apoyo de neopreno teflón

Aparato de apoyo de neopreno teflón guiado

Apoyo guiado Apoyo libre


3

Amortiguador longitudinal Pilas fijas


Apoyo libre

Apoyo guiado

Apoyo fijo

Amortiguador longitudinal


3


1,000

0 0.1 1.0 10 100 1000

log v (mm/s)

F (kN)2,000

F (kN)2,000

-2,000

Criterio diseño de amortiguador

Frenado= 1.20* 8.50 MN= 10.14 MN.

Amortiguador>10.14 MN

Amortiguador 6 unidades de 2000 kN = carga total

sísmica máxima sobre el estribo de 12.00 MN


3


Amortiguador hidráulico α=0.15

F=C.V

Desplazamiento (mm)

Fue

rza

en k

N


3


Alzado del modelo de cálculo del viaducto

Viaducto N1 CORDOBA-MALAGA SIS 1

ac

ele

rac

ión

[g

]

tiempo [s]

-0.05

-0.10

-0.15

0.00

0.05

0.10

0.15

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00

Viaducto N1 CORDOBA-MALAGA SIS 1

SIS 1

IAPF

ac

ele

rac

ión

es

pe

ctr

al

[g]

periodo [s]

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.01 100.1 1

Ejemplo de acelerograma utilizado y calibración con el espectro de respuesta de la IAPF


3

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 5 10 15 20

F_TEF1F_TEF2

F_TEF3F_TEF4

F_TEF5F_TEF8

F_TEF9F_TEF10

F_TEF11F_TEF12

Fu

erz

a t

ran

sm

itid

a p

or

los t

efl

on

es [

kN

]

tiempo [s]

Reacciones en el amortiguador [kN] para el acelerograma SIS2

Fuerza transmitida por los apoyos de teflón para 1% de rozamiento



3



3

Puente sobre el río Dambovita en Bucarest. Rumania


3

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

a [m

/s2]

T [s]

HORIZONTAL ELASTIC RESPONSE SPECTRA

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

d [m

]

T [s]

HORIZONTAL ELASTIC RESPONSE SPECTRA

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

a [m

/s2]

T [s]

VERTICAL ELASTIC RESPONSE SPECTRUM

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0

d [m

]

T [s]

VERTICAL ELASTIC RESPONSE SPECTRUM



3


José Romo Martín



3


Sismicidad amax=0.95 g Sismicidad alta


Disminución de la masa de la superstructura

• Tablero mixto

• Arcos metálicos flexibles

Amortiguamiento mediante neoprenos con núcleo de plomo

• Aumento del periodo propio de vibración

• Disipación de energía

• Recentrado


3


Diagrama Fuerza –Desplazamiento de apoyo tipo LRB

Sección de apoyo tipo LRB


3


Aparato de neopreno con núcleo de plomo


3


Modos principales de vibración de la superestructura


3

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 0.350

F[kN

]

d[m]

LRB-Dambovita

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

F[k

N]

d[m]

5% 41% Conjunto apoyo-infraestructura


Aparato de apoyo de neopreno con núcleo de plomo: relación

fuerza-desplazamiento

Efecto de la amortiguación


3

BUCH3

-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

t (s)

a (

cm

/s²)

BUCH3

-50.0

-40.0

-30.0

-20.0

-10.0

0.0

10.0

20.0

30.0

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0

t (s)d (

cm)


Aceleraciones Desplazamientos


3



3

Puente Atirantado de Centura en Bucarest (Rumanía)


3


0

2

4

6

8

10

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

a [

m/s

2]

T [s]

HORIZONTAL ELASTIC RESPONSE SPECTRUM

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

d [

m]

T [s]

HORIZONTAL ELASTIC RESPONSE SPECTRUM


3




Disminución de la masa de la superestructura

• Tablero mixto

• Pilono aligerado: Secciones huecas y travesaños metálicos

Disminución de la rigidez de la superestructura

• Reducción de las dimensiones del pilono

• Desvinculación del tablero y pilono

Amortiguamiento mediante neoprenos con núcleo de plomo



• Recentrado

Transmisión de cargas a la infraestructura

• Empleo de neoprenos con núcleo de plomo con rigidez diferente,

para concentrar la carga en donde se resiste más fácilmente:

cimentaciones de los pilonos


3



3


1

2

3

4

5

7

6

1 2

3 4 5

6 7


3



3


POT (FREE)

POT (FREE)LRB 647 kN

LRB 647 kN

LRB 2145 kN

LRB 2145 kN

LRB 647 kN POT (FREE)

POT (FREE)LRB 647 kN


3


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

5 20 35 50 65 80 95 110 125 140 155 170 185 200 215 230 245 260 275 290 305 320 335 350 365 380 395 410 425 440

Force[KN]

Displacements [mm]

LRB Characteristics

Abutment LRB Shear [KN]

Pylon LRB Shear [KN]

Amortiguador de núcleo de plomo


3


xy

z

First Transversal Mode (T=3.03s)


3


xy

z

First Longitudinal Mode (T=2.38s)


3



3

Puente Atirantado sobre el río Tajo en Lisboa (Portugal)


3


0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

a [g

]

T [s]

Espectro de diseño en aceleraciones

TIPO1

TIPO2

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

0.3

0.4

0.4

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

d [m

]

T [s]

Espectro de diseño en desplazamientos

TIPO1

TIPO2


3


Acelerograma 2

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

a[m

/s2

]

t[s]

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

a[m

/s2

]

t[s]

Acelerograma 1


3


0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00

Sa[

m/S

2]

T[s]

ESPECTRO M EDIO vs ESPECTRO DISEÑO


3



3




• Tablero mixto

• Pilono aligerado: Secciones huecas, buscando reducir la masa en las zonas más altas.

• Disminución de la masa de los encepados (canto variable)




Amortiguamiento mediante amortiguadores en dos direcciones+neoprenos (recentrado)



• Recentrado mediante neoprenos

Conexión con tramos adyacentes

• Transmisores de impacto (inactivos para movimientos lentos)


• Empleo de distintas resistencias de amortiguadores, para concentrar la carga en donde

se resiste más fácilmente: cimentaciones de los pilonos

Sistema de transmisión de cargas horizontales en situación no sísmica

• Apoyos guiados o fijos con carga máxima horizontal garantizada (fusibles)


3



3


Masa de tablero de 119 t/m

Modelo de cálculo

PILA 1 PILA 2 PILONO NORTE PILONO SUR PILA 3 PILA 4

DAMP LONG C [kNs/m] 2X 2500 2X 2500 2X 13500 2X 13500 2X 2500 2X 2500

DAMP TRANS C [kNs/m] 2X 5000 TOPE 2X 13500 2X 13500 TOPE 2X 5000

NEOP k[Kn/m] 2X 1800 2X 1800 2X 8000 2X8000 2X 1800 2X 1800

La ecuación de los amortiguadores responde a la ecuación F=Cv, donde:

• Se ha tomado un valor =0.25.

• El valor de C escogido de acuerdo con la velocidad media máxima obtenida por integración de los acelerogramas es de aproximadamente

C=1.2 Fmax. (siendo Fmax la fuerza límite que no debe ser superada)


3



3

Puente Gerald Desmond


3





• Tablero mixto






Amortiguamiento mediante amortiguadores en dos direcciones+neoprenos (recentrado)



• Recentrado mediante neoprenos


• Empleo de distintas resistencias de amortiguadores, para concentrar la carga en donde

se resiste más fácilmente: cimentaciones de los pilonos


• Transmisores de impacto con carga máxima horizontal garantizada (fusibles)


3


xyz

xyz

xyz

60

0.0

0

80

.00

80

0.0

0

80

.00

50.00

50

0.0

0

700.00

30.0

0

450.00

350.0

0


3


xyz


3


Amortiguadores longitudinales y transversales


3



3

Puente Gerald Desmond : Viaductos de acceso


3



Proyecto por capacidad

• Cálculo del desplazamiento necesario

• Diseño de zona de rótulas: detalle confinamiento

• Diseño de cimentación por capacidad (máximo momento transmitido por rotulas)


3



3


Hormigón con confinamiento en zona de rótulas


3


ESTUDIO TRANSVERSAL

Pivote armadura 4 % = 40 por mil

Pivote hormigón confinado 2% = 20 por mil

χ y χ ult


3


ESTUDIO TRANSVERSAL

Desplazamiento objetivo= 1.20 m

Canto transversal de la sección 7.20 m

Giro plástico necesario

Θplast ≈ d/ [h-(Lrot/2)]=1.20/[62-(7.2/2)]=0.020 rad

Curvatura necesaria rótula

χ plast nec = Θ plast /Lrot ≈ 0.020/7.20=2.85*10-3 m

Del análisis de la sección χ ult =9.5*10-3 m

Del análisis de la sección χ y =0.80*10-3 m

χ plast =8.70 *10-3 m> 2.85*10-3 m ok

Ductilidad necesaria

μ=2.85/0.80=3.56

Diseñar la cimentación para M=

1.2 m

7.2

m

3.6

m

7.2 m

Θplast


3



3

Puente sobre el Canal del Chacao


3


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Envolvente Espectros de ServicioEspectro Subductivo de Servicio

Espectro Cortical de Servicio

COMPARACIÓN ESPECTROS DE SERVICIO 2%

Período [ seg ]

Ace

lera

ció

n

[ g

]

.


3


0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 40

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

Envolvente Espectros de ColapsoEspectro Subductivo de Colapso

Espectro Superficial de Colapso

COMPARACIÓN ESPECTROS DE COLAPSO 2%

Período [ seg ]

Ace

lera

ción

[ g ]

.


3




• Tablero mixto







• Transmisores de impacto: conexión longitudinal tablero – estribos

Reducción por ductilidad

• Análisis de la ductilidad disponible en la pila en «A»


3


PREDESIGN

Multimode Spectral

Analysis

DESIGN BASIS

SEE Safety-Evaluation EQ

FEE Functional-

Evaluation EQ

Extreme Event - I

Service - V

Push Over

Feasibility

Artificial Ground Motion

SEE

Reinforcement Design

Extreme Event - I

Reinforcement Check

Time history analysis


3


Fh = . mpylon

Selfweight

Fc

Fc

Legs under tension

Legs under compression

Análisis respuesta de la pila central


3



3


CAPACITY DEM AND ANALYSIS

ISOLATED CENTRAL PYLON: Longitudinal Behaviour

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

55.0

60.0

65.0

70.0

75.0

80.0

85.0

90.0

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0

Horizontal Displacement at 1st cross beam level (z = 52.200 m)

[mm]

Tota

l Horizo

nta

l Rea

ctio

n H

[M

N]

Linear statik analysis Collapse Subduction Spectra Linear statik analysis Extreme Event Spectra Linear statik analysis Extreme Event Spectra Linear statik analysisNon linear equivalent statik analysiscapacity_demand analysis


3



2

Disminución de la masaAislamiento

Amortiguación

Disminución de la rigidez

José Romo Martín

¡ Muchas gracias!

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