AISLADORES SISMICOS EN PUENTES FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL TALLER DE PUENTES

1 Aisladores Ssmicos en Puentes-Taller de Puentes-Bueno, Huerta, Moyoli-URP-2015 II

INDICE INTRODUCCION ................................................................................................................. 2

QUE ES UN AISLADOR SISMICO? .............................................................................. 3

DIFERENCIA ENTRE ASILADOR Y DISIPADOR ......................................................... 5

APLICACIN DE LOS AISLADORES SISMICOS ......................................................... 6

EFECTO DEL AISLADOR SISMICO EN EL PUENTE .................................................. 7

USO DE AISLADORES SISMICOS EN PUENTES ....................................................... 8

USO DE AISLADORES EN JAPON ............................................................................. 9

USO DE AISLADORES EN ESTADOS UNIDOS ......................................................11

USO DE AISLADORE SISMICOS EN LATIONAMERICA .......................................12

NORMAS DE DISEO Y ENSAYOS .............................................................................14

CASO PRACTICO DE DISEO ......................................................................................16

PARAMETROS PARA CALCULO DE AISLADORES SISMICOS ..........................16

ITERACION PARA DISEO DE AISLADOR .............................................................17

MODELACION EN SAP 2000/CS BRIDGE ................................................................18

RESULTADOS DEL ANALISIS ....................................................................................19

CONCLUSIONES ..............................................................................................................19

RECOMENDACIONES .....................................................................................................20

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INTRODUCCION

Los puentes son estructuras de vital importancia ya que estos actan como nexo

importante en la red de transporte terrestre y un dao serio en los mismos durante

un evento ssmico dejara los pueblos incomunicados. La actividad ssmica de las

ltimas dcadas ha puesto de manifiesto la vulnerabilidad de los puentes ante

sismos severo.

Actualmente se est cambiando el concepto tradicional del diseo ssmico que

consista en hacer las estructuras ms resistentes frente a los sismos, por una

filosofa de control pasivo, es decir disear una estructura ms flexible disipando

energa con desplazamientos en lugar de disipar energa mediante el dao de

elementos estructurales.

Esto se logra con el uso de aislamiento ssmico en el puente y tambin con el

eventual uso de disipadores de energa.

En la Figura 1(izquierda) se ilustra el efecto de un sismo severo en una estructura

tpica de un puente, donde las grandes deformaciones generan agrietamientos

importantes en los pilares de la sub estructura, las que son diseadas con gran

ductilidad para lograr disipar la energa del sismo sin llegar al colapso. En la Figura

1(b) se presenta el caso de un puente con un sistema de aislamiento, con el cual se

logran reducir las fuerzas de inercia en los pilares del puente. La disipacin de

energa inelstica que se demanda en un sismo extremo se realiza por medio de la

deformacin histertica de los apoyos, en lugar de hacerlo a travs del dao en las

pilas del puente.

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QUE ES UN AISLADOR SISMICO? Un aislador ssmico es un elemento estructural que separa la superestructura del

terreno, en caso de edificios, o la superestructura de la subestructura, en caso de

puentes, para de esta forma proteger la integridad de la estructura.

Su funcin se basa en incrementar el periodo fundamental de vibracin de una

estructura, con el objetivo de alejarla de las zonas del espectro de respuesta en la

que se concentra la energa del sismo. Para evitar que los desplazamientos resulten

excesivos y reducir an ms la respuesta de la estructura, estos dispositivos se

combinan con algn tipo de amortiguador mecnico.

Existen 3 tipos de aisladores ssmicos, el primer tipo son los Aisladores

elastomricos de alto amortiguamiento (HDRB) el cual es una serie de elastmeros

colocados en la estructura, los cuales

poseen una flexibilidad tal que permite

minimizar los daos por el movimiento

telrico. Este elastmero esta a su vez

reforzado por diversas capas de acero

cuya funcin es la de evitar el

aplastamiento del aislador por el peso de

la estructura. Con estos aisladores del

amortiguamiento vara de 10% al 20%.

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La segunda clase son los Aisladores elastomricos con ncleo de plomo (LRB) los

cuales son muy similares a los HDRB, con la diferencia que usan un ncleo de

plomo que le proporciona una capacidad adicional de disipar energa y le brinda una

rigidez inicial un poco ms alta respecto a los anteriores. Con estos aisladores los

alores del amortiguamiento generalmente varan entre el 15% y el 35%.

La tercera clase son los Aisladores de pndulo de friccin (FPS) los cuales son un

sistema de deslizamiento se utiliza junto con la nocin de una respuesta de tipo

pndulo, por medio de un control deslizante articulado en una superficie esfrica

cncava; el sistema de pndulo de friccin est compuesto por un deslizador

articulado sobre una superficie de acero inoxidable. La parte del apoyo articulado

que est en contacto con la superficie esfrica, est rodeada por una pelcula de un

material compuesto de baja friccin. Con estos ltimos el valor del amortiguamiento

de este sistema se encuentra entre 10% y 40%.

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DIFERENCIA ENTRE ASILADOR Y DISIPADOR La diferencia entre estos dos sistemas es que los aisladores como su nombre lo

indica asla la superestructura de la aceleracin ssmica, mientras que los

disipadores cumplen la funcin de disipar la energa localizada en los elementos

estructurales a los cuales estn ancladas y de esta forma evitar dao y aumentar el

amortiguamiento de la estructura.

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APLICACIN DE LOS AISLADORES SISMICOS

Los aisladores ssmicos se pueden aplicar a cualquier estructura nueva y tambin

a estructuras existentes. En general se puede plantear un sistema de aislamiento a

estructuras de gran importancia, ya sean edificaciones, puentes, centrales

nucleares, reservorios de agua, etc.

Las aplicaciones ms usadas en todo el mundo son para el aislamiento de edificios

y para el aislamiento de puentes, y por ello es importante explicar la diferencia del

funcionamiento del sistema de aislamiento ssmico en ambos casos.

En el caso de las edificaciones, los aisladores ssmicos son colocados en la base

de la edificacin, entre las zapatas y la base de las columnas.

El aislamiento en un edificio provoca un desplazamiento casi uniforme de entrepiso,

reduciendo los desplazamientos relativos o derivas de entrepiso (drifts), permitiendo

a la estructura recibir menos dao estructural durante el sismo, es decir que todo el

edificio est aislado en su totalidad.

En cambio el aislamiento de un puente, lleva a la sper estructura a desplazarse

ms, pero reduce la demanda ssmica de los pilares.

Es entonces que concluimos que la principal diferencia entre aislar un edificio y

aislar un puente es la ubicacin de los aisladores ssmicos.

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EFECTO DEL AISLADOR SISMICO EN EL PUENTE

Al colocar aisladores ssmicos a un puente, este se vuelve ms flexible y por ello su

periodo fundamental se incrementa en gran medida. Generalmente los periodos

fundamentales de puentes aislados son mayores de 2.0s.

Al tener un periodo mayor tambin se produce un aumento del amortiguamiento, lo

que produce una reduccin en la demanda de fuerza ssmica del puente, y lleva a

tener menores esfuerzos en la subestructura. Figura (3a).

Por otra parte al aumentar el periodo aumentan la demanda de desplazamiento.

Esto produce grandes desplazamientos en la sper estructura y por lo tanto merece

el diseo de juntas ssmicas especiales.

Figura (3a)

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Figura (3b)

Se recomienda tener cuidado al momento del diseo en cuanto a desplazamientos ,

ya que desplazamientos excesivos podran generar un efecto P-delta.

Ya que los desplazamientos son mucho mayores, es necesario disear y construir

juntas ssmicas especiales, que garanticen el correcto desplazamiento del puente.

USO DE AISLADORES SISMICOS EN PUENTES

El uso de aisladores ssmicos se viene desarrollando hace muchos aos en los

pases lderes en investigacin ssmica como son Japn y Estados Unidos. Desde

hace una dcada se empez a investigar sobre el tema en Latino Amrica, es en

Chile que se tiene la mayor cuota de investigacin y uso de aisladores ssmicos de

la regin.

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Chile es el nico pas de Latino Amrica que fabrica aisladores ssmicos y cuenta

con un laboratorio especializado para realizar los ensayos pertinentes a estos.

Alrededor del mundo existen gran cantidad de proyectos de puentes que cuenta con

sistemas de aislamiento ssmico, tanto en puentes nuevos como en reforzamiento

de puentes existentes.

USO DE AISLADORES EN JAPON

Luego del terremoto de Kobe de 1995, los japoneses se dieron cuenta de que tenan

que cambiar su metodologa de diseo para puentes, ya que el viaducto de Kobe

que cruzaba la ciudad, colaps en casi su totalidad.

La falla se present por falta de capacidad de ductilidad en los pilares, y se formaron

rtulas plsticas e la base de los pilares, generando el colapso de casi todos los

tramos del viaducto. Figura (4).

Para esa fecha ya se tenan investigaciones sobre aisladores ssmicos y es por ello

que reconstruyeron el viaducto haciendo uso de asoladores ssmicos.

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Despus del sismo de Kobe de 1995, se recomend el uso de apoyos elastomricos

y aisladores ssmicos (Tipo HDR y LRB). Antes de 1995 en Japn el 98% de apoyos

de puentes eran de acero, en la actualidad el 90% son apoyos de material

elastomrico.

Reparacin de puentes daados usando aisladores ssmicos.

Proceso de instalacin de aisladores en reforzamiento de puentes.

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USO DE AISLADORES EN ESTADOS UNIDOS

Es interesante saber que el crecimiento que tuvo estados unidos en la aplicacin de

esta tecnologia fue despues del ao 1991, ya que en dicha fecha solo 7 puentes

contaban con dicha tecnologia, sin embargo; esto cambio luego del sismo de Loma

Prieta en 1989, sismo que trajo consigo una nueva edicion de las especificaciones

AASHTO en 1991, lo cual impulso mucho el uso de los aisladores sismicos y al cabo

de tan solo 2 aos su uso se extendio a 59 puentes.

A continuacin mostraremos algunos casos de puentes aislados, principalmente en

las zonas ssmicas aledaas a la zona de San Andrs como son California y la

ciudad de San Francisco especficamente.

A continuacin mencionaremos algunos de los puentes que cuentan con aisladores

ssmicos en la actualidad:

Puente Richmond San Rafael USA

Puente Rio Vista USA

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Puente Golden Gate San Francisco, USA

USO DE AISLADORE SISMICOS EN LATIONAMERICA

En Latino Amrica pases como Mxico y Chile son los primeros que han usado

aisladores ssmicos en puentes, siendo Chile el que ha destacado en investigacin

y fabricacin de aisladores ssmicos.

En Chile se tienen los puentes Viaducto el Salto del Troncal, Viaducto Marga Marga,

Viaducto Amalonas, Puente Rio Claro Poniente, Viaducto Las Cruces.

Viaducto El Salto del Troncal, V Regin, Chile

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Viaducto Marga Marga, V Regin, Chile

Puente Rio Claro Poniente

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NORMAS DE DISEO Y ENSAYOS

Las especificaciones para el diseo de puentes con apoyos de neopreno con ncleo

de plomo, editadas por el ministerio de Obras y Desarrollo de Nueva Zelanda en

1983 constituyen las primeras normas para la proteccin ssmica de puentes con un

sistema de aislamiento y disipacin de energa. Posteriormente en la dcada de los

90 se publicaron por primera vez recomendaciones oficiales en Estados Unidos

(1991 y 1999), Japn (1996), Italia (1991) y en diversos pases europeos gracias al

Euro cdigo 8 (1998).

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Actualmente existen varias normas de diseo en cuanto al uso de aisladores

ssmicos.

Cada pas o regin desarrollo sus propias normas de diseo, sin embargo estas son

muy similares en metodologa y solo varan en algunas exigencias, ya que el

mecanismo de funcionamiento de los aisladores ssmicos es comn.

Entre las normas ms importantes y conocidas tenemos:

Specifications for Seismic Isolation American Association of

State Highway and Transportation Officials, AASHTO 3ra Edicin, 2010.

de Carreteras Volumen 3. Instrucciones y Criterios de Cap

itulo 3.1000 Puentes y Estructuras Afines. Ministerio de Obras Pblicas, Chi

le. Edicin 2013.

Norme tecniche per le costruzioni (T.U. 14/09/05), Ordinanza Presidente

Consiglio dei Ministri n.3274 e 3431, Allegato 3 Ponti.

Design Specifications of Highway Bridges (Japan Road Association 2002).

En Latino Amrica la norma ms usada para diseo de puentes con aisladores

ssmicos es la norma del AASHTO, tanto para procedimientos de diseo como

tambin para la realizacin de ensayos para los aisladores.

Los ensayos ms importantes solicitados segn AASHTO, Test Requeridos

(13.2.2):

Ensayo Trmico (13.2.2.1): Consiste en aplicarle 3 ciclos de carga, que

equivalgan al desplazamiento lateral esperado por temperatura.

Ensayo de Viento y Frenado (Previo al Sismo) (13.2.2.2): Consiste en

verificar la resistencia del sistema de asilamiento bajo condiciones de

servicio.

Ensayo Ssmico (13.2.2.3): Este ensayo verifica la respuesta dinmica del

sistema de aislamiento para varios niveles de desplazamiento. La secuencia

de los ciclos de desplazamiento es importante para desarrollar las curvas

histerticas del aislador.

Ensayo de Viento y Frenado Post Sismo (13.2.2.4): Este ensayo verifica el

desempeo frente a cargas de servicio luego del evento ssmico.

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Verificacin de Desempeo Ssmico (13.2.2.5): Verifica el desempeo del

aislador luego de una serie de pruebas, aplicando el desplazamiento en

direccin ortogonal a la direccin de diseo del aislador, y en ngulo de 45

para aisladores bidireccionales.

Ensayo de Estabilidad (13.2.2.6): Se demuestra la estabilidad cuando la

carga lateral aplicada al mximo desplazamiento es diferente a cero.

Ensayo de un aislador HRDB

CASO PRACTICO DE DISEO Explicaremos el proceso de diseo del puente Rio Claro Poniente, segn las

normas de diseo AASHTO LRFD Seismic Isolation Design 2010.

PARAMETROS PARA CALCULO DE AISLADORES SISMICOS

Para el diseo del aislador se debe tomar en cuenta las siguientes propiedades de

los materiales, as como las dimensiones de los componentes del mismo.

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ITERACION PARA DISEO DE AISLADOR

Se debe plantear un mtodo iterativo para disear el aislador ssmico.

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MODELACION EN SAP 2000/CS BRIDGE

Se define un modelo tridimensional en SAP2000, en general, se privilegian los

elementos frame sobre los elementos shell. Los elementos de apoyo, es decir, en la interface entre la super e Infraestructura se modelan con elementos link support, con la opcin de Rubber Isolator que entrega

el software, y que permite definir un elemento con un Kvertical y un Keff horizontal.

Modelo en SAP 2000.

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RESULTADOS DEL ANALISIS

Comparacin entre el anlisis sin aisladores y el anlisis con aisladores.

CONCLUSIONES

El uso de aisladores ssmicos nos da estructuras con menos demanda de

fuerza ssmica.

Luego de un sismo severo los elementos estructurales del puente, no sufrirn

dao alguno, ya que la energa del sismo ser disipada por el desplazamiento

del aislador.

Como los desplazamientos son mayores, se debe disear juntas ssmicas

modulares.

Se debe tomar en cuenta el efecto P-delta, al ser los desplazamientos ms

grandes.

El nivel de dao ocasionado por un sismo severo, es muchsimo mayor en

los puentes sin aisladores, y casi mnimo en puentes aislados.

Al reducir la demanda de fuerza ssmica, se tienen menores esfuerzos de

corte y flexin en la subestructura del puente, esto lleva a tener pilares de

menor seccin y menor refuerzo.

La reduccin de seccin y refuerzo, genera un ahorro econmico

considerable frente a un puente sin aisladores.

Los aisladores ssmicos nos brindan un nivel de desempeo alto frente a

solicitaciones de sismo severas.

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RECOMENDACIONES Es recomendable realizar todos los ensayos para los aisladores en cuanto a

nuevos proyectos, para tener la seguridad del desempeo de estos.

Para reforzamiento de puentes es altamente recomendable la

implementacin de aisladores ssmicos.

Remontndonos en la historia, no podemos esperar a que ocurran hechos

similares a los ocurridos en los sismos de Loma Prieta (USA) y Kobe (Japn),

para empezar a imponer el uso de aisladores ssmicos en puentes. Se debe

introducir su uso mediante la implementacin de normativas actualizadas y

la implementacin de laboratorios especializados para la investigacin de

estos sistemas de aislamiento.