ELEMENTOS VERTICALES VERTICALES DE A NCLAJE NCLAJ E EN PUENTES. PUENTES. LECCIONES DEL SISMO DE CHILE DE 2010 Dr. Ing. Ing. Roberto Ag uiar Falconí (1) Centro de Investigaciones Científicas, E scuela Polit P olitécnica écnica del Ejército, Ejército, Quit Q uito-E o-Ecuad cuador. or.
[email protected] RESUMEN En sismos severos como el de Chile de 2010, la componente vertical puede ser muy importante en los puentes, por esta razón se recomienda tener barras de anclaje para que todos los elementos estructurales trabajen monolíticamente. En Chile el uso de la barra de anclaje es muy difundido aunque en algunos puentes no están bien colocadas, como se verá posteriormente en este artículo. En el Ecuador en cambio son muy pocos los puentes que tienen la barra de anclaje vertical, razón por la cual se aspira que con las experiencias durante el sismo de Chile. esto cam cambié. bié. Se presenta en primer lugar la forma como se construyen los puentes en Ecuador, se presentan tres casos, en dos de ellos no se coloca la barra de anclaje vertical y el tercero si tiene el anclaje vertical. Luego se indica un puente construido en Chile con el anclaje vertical. P osteriormente osteriormente se muestra la forma como como debe calcularse calcularse el refuerzo del anclaje vertical vertical de acuerdo al Manual de Carreteras de Chile de 2002 y a la normativa AASHTO 2005.Finalmente se presentan dos puentes, sin anclaje vertical, que tuvieron un mal comportamiento durante el sismo de Chile de 2007.
1.
INTRODUCCIÓN
En la figura 1 se muestra la secuencia de construcción de un puente típico en el Ecuador. En la parte superior izquierda se observa un estribo con sus correspondientes contrafuertes, el estribo puede estar cimentado directamente, si el suelo es bueno o sobre pilotes si no lo es. En la parte superior derecha se aprecia el diafragma que es construido en cada tramo de las vigas longitudinales. En la parte inferior de la figura 1 se presenta la construcción de un tramo del diafragma, se aprecia que los hierros verticales sobresalen del diafragma e irán anclados en la losa maciza del tablero del puente pero en la parte inferior el diafragma queda separado, verticalmente, del estribo unos 20 cm. Se aprecia también que los hierros verticales de los estribos van a ir anclados al tablero del puente. Finalmente se observa en los extremos la traba sísmica que impide el desplazamient desplazamiento o transversal del puente. puente. El estribo del puente con su tablero, trabajan en forma monolítica de tal manera que ante la componente vertical del sismo va a moverse en conjunto. En cambio, las vigas longitudinales no van a trabajar en conjunto con el tablero y el diafragma; el estribo está separado del resto del puente de tal manera que no existe anclaje para la componente vertical del sismo. En la figura 2, se presenta un puente similar al indicado en la figura 1, similar en el sentido de que como va a quedar el diafragma separado verticalmente del apoyo 20 cm. Este tiene también, entre viga y viga longitudinal, unas trabas sísmicas para restringir el desplazamiento lateral.
Roberto Aguiar Falconí CEINCI-ESPE En los dos puentes presentados, las vigas longitudinales se encuentran sobre apoyos de Neopreno que son simplemente colocados sin ninguna protección de que en un sismo severo se salgan de su sitio. En la figura 3, se muestra una pila del Puente de Bahía de Caráquez, que si tiene el refuerzo de anclaje vertical. Esta pila corresponde al tramo de acceso en Bahía al puente que une la mencionada ciudad con San Vicente, en Ecuador.
En Chile los puentes, que tienen una tipología estructural similar, tienen barras de anclaje. En la figura 4 se presentan dos puentes ubicados en Santiago. En la parte superior izquierda se tiene una vista general del puente y a la derecha se ve que entre el diafragma y el estribo del puente se han colocado dos barras sísmicas (anclajes verticales) que se encuentran dentro de un círculo. Estas barras sísmicas son las que evitan que las vigas y el tablero del puente se levanten ante la componente vertical del sismo.
Elementos verticales de anclaje en Puentes. Lecciones del s ismo de Chile
En la parte inferior de la figura 4, se presenta otro puente en el cual se aprecia de mejor forma las barras verticales de anclaje vertical del puente. Colocar las barras sísmicas no
Roberto Aguiar Falconí CEINCI-ESPE conlleva un trabajo difícil ni tampoco es costoso pero le va a dar una mayor seguridad al puente ante la componente vertical del sismo
2. REQUERIMIENTOS DE NORMATIVAS SISMICAS A continuación se presenta los requerimientos del Manual de Carreteras (2002) de Chile y las Normas AASHTO LRFD (2005) respecto al anclaje vertical del diafragma al apoyo o del tablero al apoyo para el caso de que no exista diafragma. Hube M. (2010) •
Manual de Construcciones (2002) •
Siempre se deben instalar y el diámetro mínimo de las barras de acero es de 22 mm.
Elementos verticales de anclaje en Puentes. Lecciones del s ismo de Chile El coeficiente sísmico vertical k, para el diseño del anclaje vertical será: •
Donde A, es la aceleración efectiva máxima del suelo, que es diferente de la aceleración máxima del suelo, a,, para el caso de Chile, están definidas en la tabla 1; g es la aceleración de la gravedad.
Santiago de Chile se encuentra en zona 2. Retomando el cálculo de la fuerza sísmica vertical, esta se realiza en función del coeficiente sísmico vertical, despreciando la contribución de las cargas por peso propio. •
Las barras de anclaje deberán cumplir con las disposiciones ASTM A 706 M, se permite el empleo de acero de refuerzo ASTM A 615 grados 280 y 420, en estos elementos siempre y cuando:
a) La resistencia real a la fluencia, obtenida en laboratorio no sea mayor que la resistencia especificada en más de 120 Mpa. b) La razón entre la tensión última de tracción y la tensión real de fluencia no sea menor de 1.25. •
AASHTO LRFD (2005) •
•
Son necesarias si las fuerzas sísmicas verticales en el apoyo superan el 50% de la reacción para carga permanente en dicho apoyo. Diseñar para el mayor valor entre: 10 % de la reacción por carga permanente. O 120 % de la diferencia entre las fuerzas de levantamiento por sismo y la reacción por carga permanente. O
3. COMPORTAMIENTO DURANTE EL SISMO DE 2010 En Aguiar (2010) se indicó con detalle el colapso de un tramo del puente Llacolen que une la ciudad de Concepción con San Pedro de la Paz. Se indicó que el puente no tiene diafragmas (vigas transversales) que ayudan a que el tablero y vigas longitudinales trabajen como un marco en el plano horizontal. Además de ello los diafragmas le dan rigidez en sentido transversal al puente. También se hablo sobre la longitud mínima que deben tener los apoyos, para las vigas longitudinales. Ahora y en el contexto de este artículo se habla sobre el anclaje vertical de este puente, para ello en la parte superior de la figura 5 se muestra el tramo fallado y se observa
Roberto Aguiar Falconí CEINCI-ESPE como quedaron las barras antisísmicas que controlan que el puente no se levante verticalmente.
En la parte inferior izquierda de la figura 5, se ve dentro de un círculo el anclaje vertical, estrictamente se observa el recubrimiento de la barra sísmica, se aprecia la parte superior de una viga de dimensiones muy pequeñas, la misma que estaba unida al tablero del puente. Pero esta viga fue construida después de haber fundido la losa de ahí que en el sismo se desprendió; nótese que en la parte superior se tiene un tapón. En la fotografía de la derecha se ve el hierro que se encontraba dentro del recubrimiento del anclaje vertical. En la figura 6, se muestra el otro extremo del tramo que colapsó. Nótese que las vigas longitudinales están separadas del apoyo y se ve parte de la estructura denominada Mecano que colocaron en forma provisional para que el puente siga en operación. Pero el objetivo de la
Elementos verticales de anclaje en Puentes. Lecciones del s ismo de Chile foto es mostrar como se construyó el anclaje vertical; en la parte inferior la barra sísmica estaba completamente empotrada en la viga del apoyo pero en la parte superior estaba anclada en una pequeña viga, que para el caso anterior se desprendió del tablero del puente.
En la figura 7 se presenta la falla en uno de los estribos del Puente Las Mercedes, ubicado en la Ruta 5. (Kawashima et al. 2010). En la fotografía superior se aprecia que las barras de anclaje vertical no fueron fundidas directamente a la losa del tablero del puente sino que fueron fundidas a una viga que sobresale del tablero, de tal manera que hubo deficiencia en la construcción del anclaje vertical. Se aprecia en la fotografía superior de la figura 7 que la traba sísmica exterior no fue suficiente para impedir el desplazamiento transversal del puente, motivo por el cual la viga longitudinal exterior se cayó de su apoyo
Roberto Aguiar Falconí CEINCI-ESPE
En la fotografía inferior de la figura 7 se ve el tablero caído y desplazado transversalmente entre 80 y 100 cm. No se puede decir que la falla se debió a la armadura de anclaje o a la traba sísmica; la falla se debió a la falta del diafragma o viga transversal del puente, agravado por una mala construcción de las barras de anclaje y de la traba sísmica.
4. COMENTARIOS Y CONCLUSIONES Mientras más precauciones sísmicas se tomen en la construcción de los puentes, será mejor. Calcular y construir bien las barras de anclaje vertical no es algo difícil o costoso. Se aspira a fomentar la colocación de barras de anclaje en los puentes, que como se ha visto en el Manual de Carreteras de Chile, no se lo hace con cualquier hierro ni con cualquier diámetro ya que se tienen especificaciones muy bien definidas. La omisión de las barras de anclaje vertical es un ingrediente más para el mal comportamiento sísmico de un puente. En los dos puentes presentados: Llacolen y Mercedes la causa principal fue la falta de diafragmas.
REFERENCIAS 1. AASHTO, (2005), AASHTO LRFD Bridge design specifications, American Association of State Highway and Transportation Official. Third Edition. 2. Aguiar R., (2010), "Importancia de las vigas transversales en puentes. Análisis del puente Llacolen-Sismo de Chile", Revista INFOCIENCIA. Escuela Politécnica del Ejército, 7 p., Latacunga. 3. Hube M., Santa María H., (2010), "Comportamiento Sísmico de Puentes durante el terremoto del 27 de Febrero", X Congreso Chileno de sismología e ingeniería antisísmica, Santiago de Chile. 4. Kawashima K., Unjoh S., Hoshikuma J ., Kosa K., (2010), "Damage of transportation facility due to 2010 Chile Earthquake", Bridge team dispatched by Japan Society of Civil Engineers, Presentación en Power Point del 5 de abril de 2010.
5. Manual de Carreteras, (2002), Sección 3.1004 Diseño Sísmico, Volumen N.- 3. Instrucciones y Criterios de Diseño, 126-149, Santiago de Chile.
