UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO FACULTAD FACULT AD DE INGENIERÍA CIVIL CIVIL Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA CIVIL
DISEÑO DE PUENTES TEMA:
P r opi edades Ge G eométri tri cas cas y Me M ecáni cánicas cas de de A poyos yos y Ai A i slad lador es E las lastomér i cos Autor:
Décimo Semestre Paralelo “A”
SEPTIEMBRE 2017 – ABRI ABRIL L 2018
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INTRODUCCIÓN No fue sino hasta mediados del siglo XX cuando comenzaron a adoptarse medidas reales para proteger las estructuras en zonas de gran actividad sísmica. En la mayoría de los casos se usaba n únicamente sistemas pasivos, como muros de contraviento en edificios y procesos de plastificac ió n de elementos predefinidos en el caso de los puentes. Gracias a este tipo de protecciones las estructuras podían soportar determinados sucesos sísmico s y proteger vidas humanas, pero seguía siendo necesario efectuar importantes reparaciones en los elementos protectores dañados tras terremotos de alta intensidad. Las sociedades modernas ya no están dispuestas a aceptar los terremotos como un fenómeno inevitable y la tendencia actual es equipar las estructuras de las zonas sísmicas con disposit ivos especiales capaces de absorber o limitarlos efectos del sismo, reduciendo al mismo tiempo los costes de ingenier ía tanto durante la construcción como en la reconstrucción posterior al sismo. Actualmente, estos dispositivos pueden ser empleados de diversas maneras, siendo su principa l función reducir la demanda sísmica en los elementos estructurales, para poder así mejorar la capacidad de disipación de energía. [1] Específicamente, la protección sísmica se basa en tres modos de funcionamiento básicos: Aislamiento Disipación Conexión
AISLAMIENTO Se aísla la estructura del movimiento del suelo mediante conexiones flexibles, en especial aisladores elastoméricos reforzados o sistemas de deslizadores, para incrementar el periodo fundamental de vibración de la estructura que hay que proteger y reducir la respuesta a la aceleración sísmica. La aceleración se reduce a la mitad o incluso a un tercio en las estructura s equipadas con estos sistemas. [2] La eficacia de aislamiento está directamente relacionada con la rigidez horizontal y conduce a un importante deslizamiento de la estructura durante el episodio sísmico. Por lo tanto, el aislamie nto estructural genera unos niveles bajos de frecuencia y aceleración y un desplazamiento relativo alto.
DISIPACIÓN Es posible disipar parte de la energía generada durante un terremoto mediante amortiguadores que minimizan los efectos en las estructuras. Los amortiguadores oponen una resistencia muy baja a los movimientos lentos y son totalmente eficaces ante esfuerzos rápidos.
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Generalmente se usan combinados con un sistema de aislamiento, sobre todo apoyos elastomér icos para reducir al mismo tiempo el desplazamiento estructural y las tensiones a las que está somet ida la estructura.
CONEXIÓN Una estrategia de valor añadido consiste en limitar el desplazamiento sísmico de las estructuras con el fin de simplificar los dispositivos que se usan para crear la conexión con las estructuras adyacentes. [3] Estas conexiones pueden actuar a manera de apoyos, y a su vez como puntos de contacto, entre la superestructura y las estructuras de soporte, oponiendo una resistencia muy baja a los desplazamientos lentos debidos a las variaciones de la temperatura, la contracción y la fluencia de arrastre.
En el presente trabajo se realizará la descripción y análisis de los aisladores elastoméricos HDRB y LRB, así como los principales apoyos empleados en puentes, siendo estos los apoyos tipo POT y las placas de Neopreno.
AISLADORES SÍSMICOS FLEXIBLES AISLADORES ELASTOMERICOS DE ALTO AMORTIGUAMIENTO (HDRB): Descripción: Los aisladores elastoméricos de alto amortiguamiento (HDRB) están elaborados en caucho modificado con aditivos (tales como aceite, carbón en polvo, resinas, polímeros u otros elementos que le permiten alcanzar un mayor amortiguamiento por si solos), intercalado con láminas de acero adherido mediante procesos de vulcanizado, y en la parte superior e inferior se les coloca una placa de acero para confinar el núcleo. 2 Angel Ismael Torres Reino. DECIMO “A”
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El amortiguamiento de este tipo de aisladores varía entre el 10% y el 20% para deformacio nes angulares menores a = 2 . Para producir ciclos estables pasa por un proceso llamado scragging en el cual se le somete a varios ciclos de deformación y se logran ciclos estables para deformaciones menores. [4] Es importante notar que al agregarle aditivos al caucho se le modifican algunas propiedades mecánicas como la elongación a la ruptura.
Características generales:
Los aisladores elastoméricos HDRB están disponibles en diferentes formatos de acuerdo a la casa comercial en la cual se los adquiera, siendo básicamente los más utilizados los aisladores de base rectangular o circular, siendo fabricados a la medida necesaria de acuerdo al requerimiento del proyecto. El amortiguamiento que proporciona este tipo de aisladores se debe a la naturaleza del compuesto elastomérico, reduciendo así la aceleración y el desplazamiento de la estructura durante un episodio sísmico.
Aísla la estructura del movimiento del suelo formando una conexión flexible que incrementa el periodo fundamental de vibración de la estructura que hay que proteger y reduce su aceleración en una relación de 2 : 3
Propiedades geométricas: Las distintas propiedades geométricas de un aislador elastomérico de cualquier tipo hace referencia a cada una de las dimensiones que describen cada elemento del aislador, siendo estas totalmente inciertas, sino hasta haber realizado el análisis estructural de la edificac ión y poder así definir cuál será la necesidad del proyecto mediante la incorporación de aisladores de base de dimensio nes establecidas en función de los requerimientos establecidos en la estructura. [5] De manera general se puede mencionar que los principales componentes que varían su dimens ió n de acuerdo a los cálculos establecidos serán el espesor de las distintas capas que componen un aislador HDRB, siendo estas las siguientes: 3 Angel Ismael Torres Reino. DECIMO “A”
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Espesor de la capa de caucho = (8 mm – 20 mm) Espesor de la capa de acero = (2 mm – 4 mm)
Otro de los factores que influye en las dimensiones del aislador a utilizar en obra es el tipo de mezcla elastomérica que se empleará en función del porcentaje de amortiguamiento que se desea tener. Existen diversas casas comerciales que ofertan una amplia gama de modelos en aisladores HDRB con diversas dimensiones de acuerdo a la necesidad del proyecto. En esta ocasión se hará referencia de los productos que ofrece la compañía FREYSSINET en su gama Isosism correspondientes a los aisladores elastoméricos. De acuerdo a las mezclas elastoméricas disponibles en esta empresa se describen a continuación 3 modelos diferentes de aisladores elastoméricos HDRB:
Propiedades Mecánicas: Para hacer un uso seguro de los aisladores, las propiedades mecánicas de diferentes tipos de aisladores han sido investigadas intensamente. El modelo bilinea l ha sido ampliamente aceptado para la investigación y el diseño, esto se debe a que caracteriza las propiedades mecánicas de los aisladores adecuadamente pero también a que es válido tanto para aisladores elastoméricos como para aisladores de fricción.
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Una vez más, las propiedades mecánicas dependerán de las dimensiones del aislador, pues este debe ser ensayado para definir dichas propiedades antes de ser colocados en la estructura. A continuación, se enlistan cada algunas de las propiedades mecánicas que son considera das fundamentales en el comportamiento y desempeño de un aislador elastomérico de alto amortiguamiento:
Módulo de corte del caucho (G) Rigidez Post-fluencia (Kp) Amortiguamiento efectivo ( ) Desplazamiento de fluencia (Dy) Rigidez Elástica (Ke) Rigidez Efectiva (Kef) Rigidez Vertical del aislador (Kv) Relación de rigidez post-fluencia vs. Rigidez elástica (Kp/Ke)
Para conocer algunos valores referenciales correspondientes a cada una de las propiedade s descritas anteriormente se adjunta un resumen de las propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de un aislador elastomérico de alto amortiguamiento HDRB de dimensiones (40x40x25), así como el modelo bilineal que describe el comportamiento de este tipo de aisladores:
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Conexiones Estructurales: Los aisladores se conectan a las estructuras metálicas mediante pernos y a las estructuras de hormigón con pasadores o tubos de anclaje, pudiendo además ser instalados en estructuras existentes mediante los mismos procedimientos descritos.
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Ventajas:
Tiene una alta capacidad de recentrado una vez que se ha colocado en la estructura. No requiere de ningún tipo de mantenimiento. La capacidad de la goma empleada en este tipo de aisladores hace posible soportar deformaciones sísmicas hasta de = 2.5.
Desventajas:
Su valor económico hace que no sea fácilmente accesible y sustentable para estructura s convencionales de uso común. Este tipo de aisladores presentan mayor sensibilidad a cambios de temperatura y frecuenc ia que los aisladores de núcleo de plomo. Generalmente se estabiliza después del primer ciclo de carga, pues suele tener una mayor rigidez para los primeros ciclos.
AISLADORES ELASTOMÉRICOS CON NÚCLEO DE PLOMO (LRB) Descripción: Los aisladores con núcleo de plomo (LRB) se construyen generalmente de caucho de bajo amortiguamie nto intercalado con láminas de acero y en el centro se deja un agujero en el que se introduce el núcleo de plomo, que es un poco más ancho que el agujero, bajo presión y se convierte n en una unidad. El núcleo de plomo se coloca para producir numerosos ciclos histeréticos estables ya que este fluye (a una tensión de 10 MPa) y recristaliza a tempera tura ambiente; esto hace que tenga una buena resistencia a la fatiga. [6] Estos aisladores inicialmente fueron desarrollados y usados en Nueva Zelanda, de ahí que algunos autores se refieran a ellos como sistemas N-Z. El comportamiento del aislador depende de la fuerza lateral que se impone, si la fuerza es muy pequeña será asumida por el núcleo de plomo y el sistema tendrá una rigidez alta; cuando la carga lateral aumenta, el núcleo de plomo se deforma y empieza a fluir; el comportamiento histerético se genera con la energía disipada por el núcleo de plomo; como consecuencia la rigidez lateral del sistema disminuye.
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Características Generales:
En este tipo de aisladores el amortiguamiento generalmente se encuentra entre el 15% y el 35%, siendo así mucho más efectivos que los aisladores HDRB. Pueden ser analizados mediante la teoría bilineal. El núcleo de plomo cumple con la finalidad de experimentar una deformación plástica bajo acciones de carga cortante, disipando energía en forma de calor. Al estar las placas de acero totalmente incrustadas en el elastómero, estas se encuentran selladas y por lo tanto protegidas contra la corrosión.
Propiedades Geométricas: Como en el caso descrito anteriormente, para este tipo de aisladores sustentados en un núcleo de plomo, se desconocen las medidas que tendrá el aislador hasta que se efectúe un análisis de la estructura y se defina así los requerimientos del proyecto. No obstante, existen tablas correspondientes a las propiedades geométricas y mecánicas de los aisladores LRB, que representan valores tentativos a ser utilizados en el análisis preliminar, tomando en cuenta que el diseño y los detalles técnicos definitivos se definirán una vez que se hayan considerado todos los parámetros del proyecto en su fase final. De acuerdo a la casa comercial mencionada anteriormente, existen dos modelos disponibles de aisladores LRB, siendo estos:
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Propiedades Mecánicas: Las propiedades mecánicas se determinan después de haber sometido a ensayo cada uno de los aisladores de interés, pero es posible definir ciertas propiedades características de los materia les que componen los aisladores LRB, entre las cuales tenemos:
Placas de refuerzo superior e inferior conformidad con ASTM A36 o A570
elaboradas en acero al carbono lamina de
Elastómero natural tipo NR, grado 3, según ASTM D4014-81
Plomo con pureza mínima del 99.9%
Dentro de las propiedades esperadas para un aislador LRB, ensayados con los equipos correspondientes, se encuentran las siguientes:
Módulo de corte del caucho (G) Rigidez Post-fluencia (Kp) Amortiguamiento efectivo ( ) Desplazamiento de fluencia (Dy) Rigidez Elástica (Ke) Rigidez Efectiva (Kef) Rigidez Vertical del aislador (Kv) Relación de rigidez post-fluencia vs. Rigidez elástica (Kp/Ke)
Nuevamente se hará uso de ensayos correspondientes a un aislador LRB de dimensiones 40x40x25 para describir algunos valores característicos de las principales propiedades mecánicas de este tipo de aisladores, las cuales se expresan en la siguiente tabla:
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Una de las características importantes desprendida de las propiedades mecánicas del aislador LRB es que este presenta una rigidez inicial mucho mayor que en caso anterior, por lo cual el área del bucle del lazo histerético es mucho mayor, siendo importante destacar que este tipo de aisladores funcionan en base al siguiente comportamiento:
Ventajas:
Presenta una buena capacidad de recentado después de la ocurrencia de un gran terremoto para que ningún desplazamiento residual pueda alterar la capacidad de servicio de la estructura. [7] Tienen un rendimiento óptimo bajo cargas de servicio, horizonta les y verticales, siendo tan eficaz como un apoyo estructural convencional. Transferencia combinada tanto de cargas de servicio como cargas sísmicas, reduciendo así el espacio requerido por los dispositivos.
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Desventajas:
El proceso de instalación de estos dispositivos es un poco más complejo en compara ción con los aisladores HDRB. El proceso de análisis para dimensionar este tipo de aisladores es más largo que en cualquier otro aislador elastomérico, pues su modelo de comportamiento puede responder incluso en el rango no lineal. Su valor económico hace que no sea fácilmente accesible y sustentable para estructura s convencionales de uso común.
APOYOS SÍSMICOS EN PUENTES APOYOS ELASTOMÉRICOS (ALMOHADILLAS) Descripción: Los apoyos estructurales de caucho sintético NEOPRENO, son almohadillas o pads moldeados bajo presión y temperatura, capaces de soportar eficazmente las distintas deformacio nes , translaciones y/o rotaciones que se producen por efecto de las cargas y la acción térmica. Estos apoyos son empleados generalmente en puentes y se los coloca entre la subestructura y la superestructura, con el propósito de controlar la interacción de las cargas y movimientos entre las vigas y pilas de un puente, siendo parte de su conjunto estructural y ayudando así a un desplazamiento normal y a absorber parcialmente la energía de la dilatación térmica de las vigas.
El neopreno o policloropreno es una familia de cauchos sintéticos que se producen por polimerización de cloropreno. El neopreno presenta una buena estabilidad química y mantie ne la flexibilidad en un amplio rango de temperaturas. El nombre neopreno es la marca comercial de l polímero de cloropreno. Debido a que el neopreno es concebido propiamente para contrarrestar los efectos térmicos no debe ser considerado como el principal apoyo sismo resistente en estructuras de gran importanc ia como en los puentes; por lo cual se deberá implementar un aislador sísmico de cualquier tipo que permita la correcta disipación de energía sísmica. 11 Angel Ismael Torres Reino. DECIMO “A”
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Tipos de Apoyos de Neopreno Existen diferentes tipos de placas de neopreno y cada uno de ellos cumple una determinada funció n en base al cálculo estructural, entre los cuales se destacan los siguiente:
Apoyo Simple o tope sísmico:
Compuestos de capas de elastómero que se vulcanizan para conformar una sola pieza monolít ic a. Se fabrican en forma circular y rectangular según Normas ASSHTO, ASTM, Nevi-12. Estos apoyos permiten movimientos y rotaciones en todas las direcciones
Apoyo Compuesto (STUP):
Son apoyos compuestos de capas intercaladas de elastómero y acero, con el fin de soportar cargas de trabajo mayores. Esta clase de Apoyos permite movimientos y rotaciones en todas las direcciones.
Apoyos Zunchados:
Estos apoyos se utilizan cuando la carga vertical en el apoyo no es suficiente para garantizar que la estructura no se deslice sobre éste de tal manera que se fijan unos pernos de anclaje que garantizan la sujeción a la estructura.
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Apoyos Slideflon:
Estos tipos de apoyos se utilizan con el fin de permitir un deslizamiento entre la estructura y el apoyo con la menor fricción (disminuyéndola a menos del 3% de la carga vertical).
APOYOS MULTIROTACIONALES DE CARGA ALTA (HLMR) Apoyos tipo POT Los apoyos tipo POT de están diseñados para transferir las fuerzas verticales a la subestructura y permitir rotaciones gracias a un cojín elastomérico que se halla en el núcleo del apoyo. Existen de diferente tipo y funcional idad, siendo designados con las letras TF, TE o TA en función de su capacidad para acomodar movimientos horizontales, tal como se describen a continuación:
POT Libre (TA):
Estos apoyos son útiles para soportan cargas tanto verticales como horizontales, así como permite movimientos rotatorios sin transmitir cargas externas. Sirven de unión entre una estructura y su soporte y debe permitir una deformación elástica.
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POT Guiado (TE):
El apoyo permite movimientos horizontales a lo largo de un eje, resistiendo cargas en direcc ión perpendicular.
POT Fijo (TF):
El apoyo resiste cargas horizontales en todas las direcciones, sin permitir movimientos.
Propiedades Geométricas: Las dimensiones para los diferentes tipos de apoyos elastoméricos se definirán en función de la demanda presentada en el puente, pues de acuerdo a las dimensiones del puente, así como del sistema estructural en el cual esté sustentado el mismo se podrá definir el espesor de la almohad illa de neopreno, así como las dimensiones de largo y ancho que se requiera. La Norma AASHTO LRFD de especificaciones de diseño de puentes (capitulo)14, detalla algunos parámetros importantes a tomarse en cuenta para la selección y dimensionamiento de los apoyos a emplearse en los puentes, siendo estos a penas criterios mínimos que deben ser tomados en cuenta, pues en base al criterio y experiencia del calculista se podrían establecer dimensio nes superiores a las estipuladas en la norma. Generalmente para puentes simplemente apoyados se utilizan almohadillas de Neopreno con una dureza de 60 +- 5 con espesores entre 4 cm y 7 cm.
Componentes del Apoyo Tipo POT: 1) Carcasa de Acero S355 2) Pistón de Acero 3) Cojín de Neopreno Natural 4) Superficie de deslizamiento PTFE 5) Placa de deslizamiento superior 6) Guías centrales o externas 7) Pernos de anclaje
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Propiedades Mecánicas: De acuerdo al tipo de apoyo seleccionado se podrán enumerar las diversas propiedades mecánicas que los caracterizan, siendo estas el resultado de ensayar los distintos apoyos predefinidos antes de colocarlos en obra. Estos ensayos se enfocan principalmente en determinar las característi cas del material del cual está elaborado el apoyo, los mismos que están constituidos básicamente de neopreno y acero. Entre las propiedades más importantes se pueden mencionar las siguientes:
PROPIEDADES DEL NEOPRENO PRUEBA
VALOR
UNIDADES
ENSAYO
Espectroscopia IR
Neopreno
Espectro FTIR
ASTM D3677-10
Dureza de identación
65±5*
Shore A
ASTM D 2240
Carga de rotura
>190
Kgs /cm²
ASTM D 412
%
ASTM D 412
≥11.8
N/mm
ASTM D429 Método B
≥32
kNm
ASTM D624 (Molde C)
-30
ºC
ASTM D 1329
45 a 55 ≥425
Alargamiento a rotura
56 a 65 ≥350
66 a 75 ≥300
Adherencia caucho- acero Resistencia al Desgarramiento Resistencia a baja temperatura Resistencia al ozono Deformación remanente
Envejecimiento Térmico
Sin grietas 35
% de. máxima
15 -15 -40
± Shore A % inicial de carga % inicial alargamiento
ASTM D 1149 (D518 método A) 100 ppm O (100 horas a 38ºC) ASTM D 395 Método B (22 horas a 100º C) ASTM D573 Por aire caliente (70 HORAS 100º C)
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PROPIEDADES DEL ACERO A36 Limite Elástico (MPA)
≥ 250
Resistencia a la atracción (MPA)
≥ 390
Alargamiento mínimo 200 mm (%)
≥ 20
Alargamiento mínimo 50 mm (%)
≥ 23
Ventajas:
En lo que respecta a apoyos elastoméricos, se puede mencionar que existe una gra n variedad de placas dispuestas para diversas configuraciones estructurales en puentes de distinta índole, evitando así alterar el diseño del mismo una vez que se realiza el montaje de las placas de neopreno. Son de fácil movilización, uso y montaje Al ser fabricados bajo pedido, se acoplan fácilmente a cualquier superficie de apoyo. Representan un buen punto de contacto entre la subestructura y la superest ructura. En comparación con el valor de los aisladores elastoméricos, las almohadillas de neopreno y los apoyos tipo POT son mucho más económicos y de fácil adquisición en nuestro medio.
Desventajas:
Las almohadillas de Neopreno tienden a deformarse excéntricas o al estar desalineadas entre sí.
rápidamente al recibir cargas
Los apoyos tipo POT son muy susceptibles al daño, por lo cual hay que tomar las debidas precauciones durante su manipulación. La capacidad de amortiguamiento de cualquiera de los tipos de apoyo expuestos es relativamente baja, por lo cual no deben ser considerados potencialmente como aislador es sísmicos entre la subestructura y la superestructura.
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Bibliografía: [1] J.A. Montalveti J., Análisis y diseño de estructuras con aisladores sísmicos en el Perú, Lima – Septiembre 2012.
[2] M.A, Saavedra, Análisis de Edificios con aisladores sísmicos mediante procedimie nto s simplificados, Santiago de Chile, 2013.
[3] L.M, Bonilla, Teoría del aislamie nto sísmico para edificaciones, Tesis – UNAM, México D.F-2012
[4] R.M, Ricardo Uso de aisladores de base en puentes de concreto simplemente apoyados , Bucaramanga, 2011
[5]Recuperado
de:
http://www.efeprimace.co/proteccion-s ismica/apoyos-estr ucturales/#pri ncipio
[6]Recuperado
de:
https://cauchosvikingo.com/apoyos-de-neopreno-para-puentes/
[7]Recuperado
de:
http://www.mageba.net/data/docs/es/2624/PROSPECT-RESTON- POT-tr-en.pdf?v=1.0
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