Colegio de Ingenieros del Perú Consejo Nacional Lima, Enero, 2017
DISENO SISMICO DE PUENTES CON AISLADORES Y CON DISIPADORES DE ENERGIA Freddy Duran C.
Diseño Estructural Puentes, Túneles, Ferrocarriles EQELS® Co., Ltd. E.I.R.L. LIMA , PERU
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Freddy Duran C
REDUCCION DEL RIESGO SISMICO EN INFRAESTRUCTURA EVALUACION DEL PELIGRO SISMICO
EVALUACION DE LA VULNERABILIDAD
MITIGACION
MICROZONIFICACION
NORMAS PARA LA EVALUACION SISMICA Y REFORZAMIENTO REFORZAMIENTO
ESCENARIOS PARA LA DECISION DE MEDIDAS Y PLANIFICACION PLANIFICACION
COMPORTAMIENTO SISMICO DE PUENTES
OBJETIVO:: NO COLAPSAR OBJETIVO • •
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Ambulancias y Cisternas de Bomberos Otros vehículos para responder a las emergencias Transporte publico Impacto económico (local y global)
Serviciabilidad después de sismos severos: severos : Minimizar drift permanente y Daños • •
Metodología de Evaluación Sísmica de Puentes basada en el Comportamiento Probabilístico •
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Análisis de Peligros Sísmicos (Ej. ( Ej. 5% de probabilidad en 50 años ) años ) Análisis de Demanda ( Análisis Estructural) Drift, Desplazamiento (Ductilidad), Rotaciones plásticas, Deformación en Compresión, Rotación de Pilares Análisis de daños estructurales (Estado de daños: Curvas de Fragilidad) Análisis de pérdidas
COMPORTAMIENTO SISMICO Y VULNERABILIDAD DE PUENTES PARAMETROS DE DISEÑO ESTRUCTURAL Configuración estructural Detalles del diseño Refuerzo longitudinal , Transversal Traslapes y longitud de desarrollo, Confinamiento •
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Materiales de Construcción Acero, Concreto Armado, Concreto Presforzado •
CONDICION ESTRUCTURAL Y DEL SITIO •
Mantenimiento, Condiciones locales del Suelo
TIPICOS MECANISMOS DE FALLA EN PUENTES DEBIDO A EFECTOS SISMICOS Caída de Tableros Tableros debido a falla en los dispositivos de apoyo y juntas de expansión Asentamiento en los Estribos de Apoyo
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Falla de Pilares: Pilares: Rotulas plásticas, Falla de Corte, Confinamiento
Aislamiento Sísmico + Interacción Suelo Estructura
4 G.L
Rigidez de la Cimentación
Pilar M=420 M=420 Ton Ton h = 21m
EJEMPLO: ANALISIS DE UN PUENTE CON AISLADORES
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(Base Fija de los Pilares) Pilares ) Elementos tipo viga Base Fija = NO Interacción Suelo Estructura Masas concentradas
SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g, A (transv) = 0.34g Suelo: Moderado
ANALISIS LONGITUDINAL SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g = 0.21g A (transv) = 0.34g Datos: Tonaorkar et al.
ANALISIS TRANSVERSAL SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g = 0.21g A (transv) = 0.34g
LONGITUDINAL
Datos: Tonaorkar et al.
TRANSVERSAL
ACELERACIÓN DEL TABLERO
Cortante en la Base del Pilar
Datos: Tonaorkar et al.
DESPLAZAMIENTO DEL AISLADOR EN EL PILAR
DESPLAZAMIENTO DEL AISLADOR EN EL PILAR
AMORTIGUAMIENTO DEL AISLADOR
DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL EN EL EXTREMO DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL SUPERIOR DE SUPERIOR DE LOS PILARES (BASE FIJA)
Sismo pequeño: 0.35g
Sismo Fuerte: 0.75g
DESPLAZAMIENTO EN EL EXTREMO SUPERIOR SUPERIOR DEL DEL PILAR: P2 (INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA) SUELO-ESTRUCTURA)
Sismo pequeño: 0.35g
Sismo Fuerte: 0.7g
FUERZA DE CORTE EN LA BASE DE BASE DE LOS PILARES (INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA) SUELO-ESTRUCTURA)
Sismo Fuerte: 0.7g
Sismo pequeño: 0.35g
Como influenciar en el comportamiento sísmico de estructuras de Puentes Se puede influenciar el comportamiento estructural en diversas formas, actuando: • •
•
Sobre la RIGIDEZ (geometría (geometría estructural) estructural) Sobre la MATRIZ DE AMORTIGUAMIENTO AMORTIGUAMIENTO (Ductilidad de Materiales y Secciones) Secciones) Sobre la INERCIA (masa (masa estructural y su distribución)) distribución
En una forma mas efectiva y menos laboriosa: laboriosa: Distanciar las frecuencias de la estructura de aquellas que reciben el mas alto contenido de energía (AISLAMIENTO (AISLAMIENTO SISMICO) SISMICO)
AISLAMIENTO SISMICO EN PUENTES OBJETIVOS Proteger componentes estructurales y no-estructurales debido a que reduce de aceleración en la Estructura
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Evita el colapso estructural
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Reduce costos de reparación
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Una estructura aislada sísmicamente permanece funcional aun después de Un sismo severo AISLADOR SISMICO:
Gran capacidad de deformación horizontal Alta rigidez vertical
ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES Suelos Blandos
•
Sismos de periodos largos (No forzar al Puente con periodos largos) largos)
•
Dificultad para ampliar el claro entre el tablero y el Estribo
•
•
Se Requiere Juntas de Expansión especiales que absorban gran desplazamiento AISLADOR SISMICO:
Se requiere esfuerzos para reducir el claro en las juntas de expansión
ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES •
•
Evaluación de la colisión entre tablero y Estribo (No causa problemas estructurales críticos pero si producen un daño muy fuerte en las juntas de expansión POR ESTAS ESTAS RAZONES: RAZONES:
NO SE DEBE DISEÑAR CON DESPLAZAMIENTOS MUY GRANDES EL PUENTE CON AISLADORES
ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES •
EN VEZ DE INCREMENTAR EL PERIODO NATURAL ES PREFERIBLE: COMBINAR EL INCREMENTO DE LA CAPACIDAD CAP ACIDAD DE ENERGIA DISISPADORA CON DISISPADORA CON LA DISTRIBUCION DE LA FUERZA SISMICA A SISMICA A TODOS LOS PILARES Y ESTRIBOS POSIBLES
Los Aisladores Aisladores son idealizados como un conjunto de resortes equivalentes lineales PARAMETR ARAMETROS OS MAS MAS IMPORT IMPORTANTES ANTES EN EL ANALISIS DINAMICO •
•
LA RIGIDEZ EQUIVALENTE EL COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO DEL AISLADOR
CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE (JAPON)
CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE , PUENTE , ANALISIS MODAL (JAPON)
CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE , PUENTE , ANALISIS MODAL (JAPON)
DISENO DE AISLADORES SISMICOS EN PUENTES - JAPON •
•
Método de los Coeficientes Sísmicos Sísmicos Método por Capacidad
Los Puentes son diseñados con el Método de los coeficientes sísmicos La ductilidad de los pilares de concreto es verificada con el Método C id d
Método de los Coeficientes Sísmicos CALCULO DEL COEFICIENTE DE FUERZA LATERAL (JAPON)
Método por Capacidad CALCULO DEL COEFICIENTE DE FUERZA LATERAL (JAPON)
Desplazamiento de Diseño de los Aisladores (uB ) •
M. Coef. Sísmicos
M. por Capacidad
Los Aisladores Aisladores en JAPON JAPON deben deben ser fabricados de modo que: KB este dentro de +- 20% Valor de diseño Los aisladores deben ser estables con 50 ciclos de carga armónica con desplazamiento uB Desplazamiento Residual:
r
No es conocido inicialmente
Análisis inelástico Estático Fuerza Lateral Equivalente
Factor de Modificación Modificación de respuesta de la histéresis inelástica a la flexión de los pilares Factor de Modificación Modificación de respuesta obtenido de la capacidad de Disipación de Energia
Análisis inelástico Estático
Como:
Energía de Deformación de la Columna y el Aislador Aislador
Amortiguamiento del Sistema para el Primer Modo de Vibración
Efecto del Aislador Aislador en la ductilidad del sistema
Existen 3 métodos para analizar y diseñar estructuras con aislamiento Sísmico •
•
•
El Método de la Fuerza lateral Equivalente (ESTATICO (ESTATICO)) El Método del Espectro de Respuesta (DINAMICO DINAMICO)) El Método Tiempo-Historia (generalmente No-lineal) (DINAMICO (DINAMICO))
FACTOR DEL CREEP EN LOS AISLADORES Aislador con Caucho NaturalNatural Rigidez dinámica / Rigidez estática = Valor bajo Mejores propiedades del Creep Aislador con caucho sinteticoSintético Tiene un amortiguamiento mayor que el Rubber bearing natural En Albany Court (Australia) después (Australia) después de 15 años el creep medido fue muy cercano al calculado y se espera que no exceda 6mm después de 100 años.
PROPIEDADES DINAMICAS DE LOS AISLADORES Dependen de varios factores: El incremento de rigidez con la carga estática y La frecuencia de la carga dinámica Amplitud de deformaciones
Temperatura Edad e historia del Rubber Bearing
PROPIEDADES ADECUADAS DE LOS AISLADORES Son descritas adecuadamente por: Fuerza-desplazamiento en Fuerza-desplazamiento en Compresión y Corte
Comportamiento del creep creep de de larga duración bajo carga estática constante Modulo dinámico y factor de amortiguamiento en diferentes frecuencias y amplitudes.
AISLAMIENTO SISMICO : CONCEPTO
EFECTO DE LAS CONDICIONES DEL SUELO EN LA RESPUESTA DE UNA ESTRUCTURA CON AISLADORES SISMICOS
Los suelos blandos amplifican la respuesta en periodos altos, altos, Puentes aislados sísmicamente con Periodo alto no son muy adecuados en suelos blandos
Algunas propiedades del caucho en aisladores al 100% de deformación al corte
Características principales principales de un aislador
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Variación del G versus
•
Variacion de G y
con la frecuencia
•
Variacion de G y
con la Temperatura
•
Variacion de G y
con la edad
•
Variacion de G y con la carga cíclica
•
Variacion de
•
Resistencia al agrietamiento lento
adhesion con la edad
Típicos Apoyos elastoméricos
Aisladores HDRB Consiste en capas de caucho vulcanizado alternadas con capas de acero inoxidable
Comportamiento Lineal Típico
Aisladores LRB Consiste en capas de caucho vulcanizado alternadas con capas de acero inoxidable y contienen un núcleo metálico (lead metálico (lead plug) que es diseñado para cambiar el comportamiento LINEAL a BILINEAL
Modelo Histerético BILINEAL del Aislador Resistencia característica
= Resistencia característica
L
= Esfuerzo de fluencia del “lead”
Qd A L L
Modelo Histerético BILINEAL del Aislador Resistencia Post-Elástica K d
K d f L
Ar
G T r f L
GAr T r
= Área de contacto del Elastómero = Modulo de Corte del Elastómero = Espesor total del Elastómero (n capas de caucho espesor = Efecto del “lead” sobre K d .
(1.0~1.2)
de Fluencia Y = Desplazamiento Típicamente, Y = 0.6 cm ~ 2.5cm
t r r )
Linearización del Modelo Histerético Linearización del BILINEAL del Aislador Amortiguamiento Efectivo ef
D M = Máximo desplazamiento del Aislador K ef = Rigidez Efectiva = Max Force / (DM y ef )
Diámetro del Lead d L
Qd (ton)
0.0636
cm
Diámetro del Elastómero Ab
Ar
P DL P LL
B
perm per m
4
B
2
d
2 L
4 Ar
d
2 L
Bo B 2.54
Rigidez del Elastómero T r f L
GAr
K d f L
K d
GAr T r
G 0.5 ~ 1 o mas
Espesor total del Aislador n
T r t r
H n t r (n 1)t s 2t c
Verificaciones d L ,
B
6
d L
Limite de deformaciones, Estabilidad a la carga vertical (en vertical (en estado deformado y no-deformado),
B
3
Aisladores LRB Comportamiento Sísmico El núcleo metálico (lead El núcleo metálico (lead plug) toma primero la fuerza sísmica Una vez que el núcleo metálico alcanza la fluencia, el caucho empieza a resistir la fuerza sísmica. El Núcleo metálico tiene la propiedad de recristalizarse a temperatura ambiente después de haber estado sometido a deformaciones Plásticas. En teoría, podría resistir ciclos ilimitados de deformación sin deformación sin necesidad de reemplazarlos después de un sismo severo.
Aisladores LRB Comportamiento Sísmico La Fuerza equivalente alcanzada en el desplazamiento de diseño es: Fuerza de Fluencia del núcleo metálico
+
Fuerza elástica proporcionada por el caucho
Por lo tanto: Los Aisladores LRB tienen 2 niveles de Rigidez: Rigidez : • •
Primera Rigidez (Núcleo metálico) Segunda Rigidez (Caucho)
DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS El Comportamiento de cada aislador es es considerado LinealEquivalente y es caracterizado por:
k ef ,i = Rigidez efectiva de cada aislador ef ,i = Amortiguamiento efectivo de cada aislador
donde :
i = 1, 2, …….N
N = numero de aisladores
DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS Considerando la masa global [M] de la Superestructura y el Centro de Masas Asumiendo un Modelo de 1 G.L G.L con: •
•
Masa [M] , Rigidez Horizontal Efectiva del Sistema Aislado k ef
Naisla Na islad d o re s
k
ef ,i
i 1
M El Periodo de vibración es: T ef 2
k ef
CONCEPTO DE DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS Fijando el Periodo T ef del Aislamiento Del Espectro de Respuesta de Aceleración (incl. tipo de suelo) •
•
Se calcula
S a (T ef )
y el Desplazamiento
del sistema de Aislamiento
T ef S d [T ef ,ξ ef ] S a [T ef ,ξ ef ] 2π
2
RIGIDEZ DEL SISTEMA PUENTE SIN AISLAMIENTO
PUENTE CON AISLAMIENTO SOLO EN LOS PILARES
PUENTE CON AISLAMIENTO EN LOS PILARES Y ESTRIBOS
Datos: Ebrahimi et al 2014
CORTANTE CORT ANTE EN LA BASE DEL PILAR
SITIO A
SITIO B
DESPLAZAMIENTO SUPERESTRUCTURA
SITIO B SITIO A
Datos: Ebrahimi et al 2014
CORTANTE CORT ANTE EN LA BASE DEL PILAR
DESPLAZAMIENTO SUPERESTRUCTURA
CORTANTE EN LA BASE DEL PILAR y DESPLAZAMIENTO SUPERESTRUCTURA
Datos: Ebrahimi et al 2014
Espectro de Respuesta de Diseño en Suelos a varias distancias distancias del tipo de Falla geológica A (máx. M 7.5 o mayor) UBC 1997.
AMORTIGUADORES VISCOSOS EN PUENTES
MUCHAS GRACIAS
