Puentes Calculo y diseño en zona sismica

Cálculo y diseño de puentes en zona sísmica

CÁLCULO Y DISEÑO DE PUENTES EN ZONA SÍSMICA

Jordi Revoltós Jorge Cascales


Índice 1. Introducción 2. Aparatos de apoyo 3. Estrategias de diseño 3.1. Capacidad resistente y ductilidad 3.2. Aislamiento sísmico 3.3. Amortiguamiento 4. Ejemplo de cálculo 5. Conclusiones


1. Introducción

- Acción sísmica definida por un espectro de cálculo

0.300

0.271 0.271

Aceleración / g

0.250 0.200 0.174

0.150

0.163

0.139 0.116

0.100 0.050 0.043

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

T (s)

- Definir la vinculación tablero-subestructura Esfuerzos en la subestructura Comprobar movimientos

4.000

4.500

2. Aparatos de apoyo


- Funciones de un aparato de apoyo -Transmitir las cargas verticales del tablero a las pilas (peso propio, cargas muertas, sobrecargas) -Transmitir las cargas horizontales del tablero a las pilas (viento, frenado,fuerza centrífuga, sismo) - Compatibilizar los movimientos horizontales entre tablero y pilas - Permitir las deformaciones debido a retracción , fluencia y temperatura del hormigón pretensado

- Tipos de aparato de apoyo -Neopreno zunchado -Neopreno deslizante -Neopreno confinado (POT)


2.1. Aparatos de apoyo. Neopreno zunchado -Bloques de caucho con láminas intercaladas de acero - Gran rigidez vertical - E= 600 N/mm2 - Baja rigidez horizontal - G=0,9 /mm2 - Compatibiliza los movimientos del tablero con la pila mediante distorsión - Vinculo elástico horizontal entre tablero y pila

2.1. Aparatos de apoyo. Neopreno


- Deformación tablero hormigón pretensado: 1mm/m -(elástico, retracción , fluencia, temperatura)

2.2. Aparatos de apoyo. Neopreno-teflón (deslizantes)


Chapa de acero y teflón

- Para grandes longitudes de tablero continuo de hormigón pretensado (L> 200 m) -Elástico transversal, libre longitudinal


2.3. Aparatos de apoyo. Neopreno confinado

- POT Fijo

- POT Guiado

- POT Libre

- Establecen vínculos rígidos o libres entre tablero y pilas - Rozamiento: 3% a 5%

3. Estrategias de diseño.


3.1. Capacidad resistente y ductilidad - Vincular rígidamente tablero y subestructura (Monolitismo) - Método de cálculo: Cálculo espectral modal Coeficiente de ductilidad (q). Esfuerzos/q Aparición de rótulas plásticas


- Coeficiente “q” a nivel global, hay que comprobarlo a nivel seccional - Los movimientos no están afectados de este factor “q”. Inconvenientes de este diseño: - Estructura rígida (períodos bajos), acción sísmica máxima - Incompatibilidad con movimientos longitudinales del tablero - Formación de rótulas plásticas y necesidad de reparaciones. - ¿En qué estado queda el puente para resistir las réplicas?

0.300

Rigidez 0.271 0.271

Aceleración / g

0.250 0.200 0.174

0.150

0.163

T =2π

Ductilidad

0.139 0.116

0.100 0.050 0.043

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

T (s)

3.000

3.500

4.000

4.500

m k


3.2. Aislamiento sísmico - Modificar el período propio de la estructura haciéndola más flexible

0.300

0.271 0.271

Aceleración / g

0.250

m T =2π k

0.200

Flexibilidad

0.174

0.150

0.163

0.139 0.116

0.100 0.050 0.043

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

T (s)

- Tablero apoyado sobre neoprenos (permite deformaciones del tablero) - Verificar movimientos relativos tablero-pila


- Modelización de apoyos de neopreno (acciones estáticas) - Coordenadas de i=coordenadas de j - En la pila se liberan esfuerzos

n⋅ A⋅G F =K⋅x→K = h G = 0.9 N/mm2 Predimensionamiento para cargas estáticas σ < 15 N/mm2 tg γ < 0.7

γ


- Modelización de apoyos de neopreno (acciones dinámicas)

G = 0.9 N/mm2 q=1 Verificación(EC8): Sismo, tgγ < 2.0 Total, tgγ < 6.0

Posibilidad de ajustar fuerzas y movimientos jugando con la rigidez de los apoyos.

K=

n ⋅ A ⋅G h


3.3. Amortiguamiento - En las dos anteriores opciones el amortiguamiento estructural era del 5% - Se introducen amortiguadores discretos en distintos puntos de la estructura para disipar energía. - Tipos de amortiguadores: - Amortiguador de fluido viscoso Permiten movimientos lentos F = C vα - Amortiguador precomprimidos F = F0 + K x + C vα Acciones estáticas: punto fijo hasta F0 y muelle para fuerzas mayores. Ante acciones dinámicas se comportan como un amortiguador y un muelle trabajando en paralelo.


- Al introducir elementos no lineales es necesario un cálculo en el tiempo (time-history). - La acción sísmica se define ahora a partir de acelerogramas que deben ser compatibles con el espectro de cálculo. - Los esfuerzos sísmicos se resisten en el campo elástico (q=1)

4. Ejemplo de cálculo - Tipología:


Losa aligerada pretensada - Luces: 30.00 + 4 x 37.00 + 30.00 - Longitud: 209.10 m - Trazado en planta: Recta + Clotoide (A=800) - Canto: 1.50 m (1/25) - Anchura del tablero: 12.80 m - Altura de pilas: 16.5 m a 39.0 m - Cimentación directa en todo el puente (0.45 N/mm2) - Procedimiento constructivo: Hormigón in situ sobre cimbra apoyada en el terreno. Construcción por fases (6) - Apoyos: - E1: NOFRI 500x500x74(40) - P1: Neopreno 700x700x90(65) - P2: Neopreno 750x700x70(50) - P3: Neopreno 750x700x70(50) - P4: Neopreno 750x700x70(50) - P5: Neopreno 700x700x90(65) - E2: NOFRI 500x500x74(40)




Acción sísmica (NCSE-02) Aceleración sísmica básica: 0.07g (>0.04g) Coeficiente adimensional de riesgo: 1.30 (vía de alta capacidad) Coeficiente de suelo: 1.30 (tipo II) Amortiguamiento: 5% Ductilidad: 1

0.250 0.237

0.237

0.200 Aceleración / g

-

0.150 0.100

0.123 0.098

0.095

0.082

0.050 0.031

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

T (s)

3.000

3.500

4.000

4.500


Modelización


Análisis modal

0.250 0.237

0.237

Aceleración / g

0.200 0.150 0.100

0.123 0.098

0.095

0.082

0.050 0.031

0.000 0.000

0.500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500

4.000

4.500

T (s)

- Primer periodo longitudinal 3.4 seg (91% de masa movilizada) - Primer período transversal 2.1 seg (83% de masa movilizada)


Primer modo longitudinal


Primer modo transversal


Análisis espectral - Espectro de respuesta vertical = 0.70 Espectro horizontal - Espectros en las 3 direcciones - Combinaciones:

- x + 0.3y + 0.3z - 0.3x + y + 0.3z - 0.3x + 0.3y + z

- Combinación

de respuestas modales

SRSS CQC (<10%)


- Esfuerzos cortantes longitudinales


- Esfuerzos cortantes transversales


- Comprobación de la distorsión de los neoprenos E1: 54 mm < 80 mm (transversal) P1: 74 mm < 130 mm P2: 43 mm < 100 mm P3: 22 mm < 100 mm P4: 20 mm < 100 mm P5: 55 mm < 130 mm E2: 66 mm < 80 mm (transversal)

5. Conclusiones


- Asumir un coeficiente de ductilidad en los cálculos implica suponer un daño y una necesidad de reparación en la estructura. - Incertidumbre del comportamiento de estas estructuras ante posibles réplicas. - La combinación de aislamiento y amortiguación en una estructura minimiza los esfuerzos sísmicos a los que se ve sometida. - Dimensionar estructuras que gracias al aislamiento y la amortiguación puedan resistir los esfuerzos sísmicos en el campo elástico supone no tener que acometer actuaciones de reparación.

Puentes Calculo y diseño en zona sismica

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