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DISEÑO ESTRUCTURAL DE UN PUENTE CARRETERO CON

AISLADORES SÍSMICOS TIPO PÉNDULO FRICCIONAL, UBICADO

EN LA PROVINCIA DE SAN JUAN.

Ricardo J. Uliarte (P) (1); Javier O. Morandi (2); Emanuel A. Bustos (3); Juan A. Uliarte (4)

(1) M.C.I Ing. Civil Prof. Titular, UNSJ, Facultad de Ingeniería, San Juan, Argentina. (2) M.Sc Ing. Civil Prof. Titular, UNSJ, Facultad de Ingeniería, San Juan, Argentina.

(3) Ing. Civil, UNSJ, Facultad de Ingeniería, San Juan, Argentina. (4) Estudiante Avanzado de Ing. Civil, UNSJ, Facultad de Ingeniería, San Juan, Argentina.

ruliarte@ims.unsj.edu.ar - jmorandi@ims.unsj.edu.ar – emabustos.ic@gmail.com - agustinuliarte@hotmail.com

RESUMEN

El trabajo tiene como objetivo presentar el diseño estructural de un puente carretero de cuatro tramos de treinta metros de longitud cada uno, compuesto de vigas de hormigón armado pretensado. La ubicación del mismo es en la provincia de San Juan; sobre la RPN60 en el departamento Ullum, cruzando el rio “La Travesía”. La zona es clasificada como de alta peligrosidad sísmica por lo cual el proyecto considera la incorporación de aisladores Sísmicos tipo péndulo friccional entre el tablero del puente y la infraestructura del mismo.

La metodología de análisis fue realizada con los programas SAP 2000 y mediante la utilización de rutinas en el programa MATLAB.

Se analizaron resultados para distintos registros sísmicos obteniendo reducciones en las solicitaciones superiores al cuatrocientos por ciento.

ABSTRACT

El trabajo tiene como objetivo presentar el diseño estructural de un puente carretero de cuatro tramos de treinta metros de longitud cada uno, compuesto de vigas de hormigón armado pretensado. La ubicación del mismo es en la provincia de San Juan; sobre la RPN60 en el departamento Ullum, cruzando el rio “La Travesía”. La zona es clasificada como de alta peligrosidad sísmica por lo cual el proyecto considera la incorporación de aisladores Sísmicos tipo péndulo friccional entre el tablero del puente y la infraestructura del mismo.

La metodología de análisis fue realizada con los programas SAP 2000 y mediante la utilización de rutinas en el programa MATLAB.

Se analizaron resultados para distintos registros sísmicos obteniendo reducciones en las solicitaciones superiores al cuatrocientos por ciento.

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1. INTRODUCCIÓN.

El proyecto corresponde a un puente ubicado en la Provincia de San Juan sobre la ruta provincial Nº 60, departamento Ullum atravesando el rio “La Travesía”. La zona es clasificada como la de mayor peligrosidad sísmica de la Argentina, por lo cual el proyecto considera la alternativa de incorporar aisladores sísmicos tipo péndulo friccional entre la superestructura y la infraestructura. Se ha previsto colocar 2 aisladores sísmicos por cada apoyo, siendo necesario para todo el puente un total de 10 aisladores.

El terreno de fundación está compuesto de gravas arenosas de compacidad media de 15 metros espesor, determinado en sondeos geofísicos arrojando velocidades de ondas P mayores a 1200m/s, lo cual representa una muy buena capacidad de carga y baja compresibilidad del terreno. Suelo clasificado, según reglamento Inpres – Cirsoc, como suelo tipo II.

El puente está compuesto en sentido longitudinal por cuatro tramos de 30 metros cada uno, con una Longitud Total de Puente de 120 m. A la entrada y salida del puente, se han considerado Estribos cerrados, ver figura (2.a), que actúan de apoyos extremos para la superestructura. Respecto a las fundaciones se optó por una fundación profunda con pilotes para el caso de los estribos, por razones de estabilidad global del mismo.

ESTRIBO PILA

Tablero

Viga

principal

Viga Tímpano

Intermedia

Viga

Tímpano

Escalera de Desagües

ESTRIBO

Fig. 1: Vista Lateral del Puente.

En apoyos intermedios, Pilas, el sistema de fundación adoptado responde a una base superficial fundada a 6 metros de profundidad.

En sentido transversal por una Calzada de 8,30 m y por dos zonas de veredas de 1,65 m cada una, lo que arroja un ancho total de puente de 11,60 m.

En la figura (1), se observa la superestructura, formada por: barandas de seguridad, carpeta de rodamiento, losa del tablero, vigas premoldeadas, vigas cabecera y viga de vinculación (Tímpano). La infraestructura se compone de los siguientes elementos: estribos y pilas. También podemos observar en figuras (2), (6), (7) cortes en zonas de pila y estribos que representan la ubicación de los FPS.

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a)

Vigas

Principales

Viga cabecera

en forma de "I"

Proyeccion

Aisladores

Vigas

Principales

Viga cabecera

en forma de "C"

Estribo

Proyeccion

Aisladores

b) c)

Fig. 2: a) Vista en perspectiva de estribo del puente en la cual donde se aprecia su fundación profunda por medio de pilotes. En b) y c), se observa en planta luego de

retirar el tablero del puente, la ubicación de las vigas Premoldeadas apoyadas sobre Viga Cabecera de Pila y Estribo.

Los apoyos intermedios están resueltos con una pila formada por una viga cabecera sobre una sección rectangular formando un solo conjunto, cuya fundación es del tipo superficial a 6 metros por debajo del nivel del lecho del río.

Cada tramo de superestructura, de 30.00 m de longitud, se resolvió mediante el uso de cinco vigas prefabricadas en hormigón premoldeado, de sección “tipo I” (o doble T)

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Con relación a los FPS (Friccional Pendul System o Sistema de Péndulo Friccional) se debe manifestar que existen tres generaciones, el primero en el cual se tiene una superficie cóncava, un deslizador y una superficie recta, a utilizar en el puente sobre el rio “La Travesía”; en la segunda generación se tiene doble curvatura y un deslizador; mientras que los de la tercera generación, son dos aisladores de doble curvatura en uno solo dispositivo. En la figura (3) se aprecian los tres tipos de FPS.

Fig. 3: Se observan los tres tipos de Aisladores Primera, Segunda y Tercera generación, respectivamente.

En la figura (4 a), se presenta una posible forma de modelar en SAP2000 el triple péndulo de fricción. En la gráfica de la figura (4 b) se observa la constitutiva del aislador de triple péndulo de fricción para los distintos regímenes de trabajo del aislador.

Gap 3 Gap 3

Gap 2 Gap 2

Superestructura

Elementos

Viga Rigida

Péndulo de

Friccion 1

Péndulo de

Friccion 2

Péndulo de

Friccion 3

Desplazamiento Total

Fue

rza

Ho

rizo

nta

l

Régimen I

Régimen II

Régimen III

Régimen V

Régimen IV

a) b)

c)

Fig. 4: a) Se observa una manera de modelar en SAP2000 el aislador de triple péndulo de fricción. b) Se observa la gráfica de fuerza-desplazamiento para los

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distintos regímenes de trabajo del aislador. c) Se presenta un esquema del Triple Péndulo de Fricción.

En el Apoyo de Triple Péndulo, los tres mecanismos de péndulo se activan secuencialmente a medida que los movimientos del sismo se tornan más fuertes (figura 4 c) . Los sismos de desplazamientos bajos y altas frecuencias son absorbidos por el péndulo interno de baja fricción y de periodo corto. Para los sismos más fuertes de Nivel de Diseño, tanto la fricción como el periodo aumentan, lo que resulta en menores desplazamientos del apoyo y menor cortante basal en la estructura. Para el sismo más fuerte de los sismos Máximos Creíbles, tanto la fricción del apoyo como la rigidez lateral aumentan, reduciendo el desplazamiento del apoyo. Cuando se diseñan para el Máximo sismo Creíble, las dimensiones en planta del apoyo de Triple Péndulo son aproximadamente el 60% del de las de un Apoyo de Péndulo Simple equivalente.

2. Diseño de péndulos friccionantes.

La respuesta de los FPS (Sistema de Péndulo Friccional) está gobernada por la misma ecuación que gobierna el movimiento de péndulos convencional. Por lo tanto su periodo de vibración es directamente proporcional al radio de la curvatura de la superficie cóncava, R. La disipación de energía en este tipo de dispositivo se produce por la fricción entre deslizador articulado (lenteja de teflón) y la superficie cóncava (acero inoxidable), al mismo tiempo que la carga axial, P, crea una fuerza de restauración debida a la curvatura del dispositivo. El funcionamiento del FPS se esquematiza en la figura (5).

2.1. Filosofía de diseño.

A continuación se presentan algunos criterios para el diseño de estos dispositivos:

La capacidad de desplazamiento del dispositivo deberá ser mayor o igual que la máxima demanda calculada en el diseño. El cálculo de la demanda debería considerar el MSC (máximo sismo considerado) y los efectos del envejecimiento, cambios de temperatura, etc. En las propiedades del elemento.

A diferencia de los LRB, los FPS debido a su configuración y construcción en acero, tienen gran capacidad de carga axial, gran capacidad de desplazamiento y no tienen problemas de estabilidad.

Figura 5: Funcionamiento de un FPS.

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Baranda Flex Beam

Veredín Peatonal

Losa de Calzada

Tope

sísmico

Aislador Sísmico

Tipo FPS

Viga cabecera

en forma de "I"

Viga cabecera

en forma de "I"

Pila

Viga PrincipalTope

sísmico

Aislador Sísmico

Tipo FPS

Viga

Tímpano

Baranda Flex Beam Losa de Calzada

Figura 6: Cortes Transversal y Longitudinal del Puente en sector de Pila

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Baranda Flex BeamVeredín Peatonal

Losa de Calzada

Viga cabecera

en forma de "C"

Aislador Sísmico

Tipo FPS

Viga cabecera

en forma de "C"

Tope

sísmico

Aislador Sísmico

Tipo FPS

Baranda Flex Beam Losa de Calzada

Viga de Bancada

de Estribo

Viga Tímpano

Viga Principal

Figura 7: Cortes Transversal y Longitudinal del Puente en sector de Estribo

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La teoría que se presenta puede ser usada de distintas formas para el diseño de los FPS’s. Sea cual fuere el procedimiento utilizado el diseño debe resultar en la siguiente información necesaria para que el fabricante pueda construir el dispositivo:

1. Diámetro 2. Radio de curvatura 3. Coeficiente de Fricción

Al igual que los LRB (Lead Rubber Bearing) o aisladores de goma, una vez que estos parámetros son definidos, es conveniente que el diseñador busque en los catálogos de los fabricantes dispositivos con las mismas o superiores características. El utilizar dispositivos que aparecen en los catálogos siempre será más económico que utilizar dispositivos especialmente fabricados para el proyecto. Otra recomendación importante es utilizar a medida de lo posible el mismo tipo de dispositivo en toda la estructura. Aunque esto pudiera parecer a primera vista poco optimo, resulta conveniente económicamente debido al ahorro que produce al no tener que realizar las costosas pruebas de laboratorio necesarias para establecer las propiedades reales de los prototipos previos al diseño final y construcción de la estructura. Detalles específicos sobre las especificaciones de los materiales, espesores de las superficies de contacto son comúnmente manejados por el fabricante.

2.2. Respuesta fuerza lateral – desplazamiento del FPS.

La respuesta fuerza lateral desplazamiento de un FPS puede ser idealizada como se muestra en la figura (8) con una histéresis bilineal. Este modelo captura los principales rasgos del comportamiento del dispositivo aunque ignora los efectos de la velocidad de aplicación de la carga lateral y de los cambios en carga axial en la respuesta. Del análisis de la figura (5) y figura (8) se obtienen muchas de las relaciones necesarias para el diseño del dispositivo.

La resistencia al desplazamiento lateral del dispositivo tiene dos componentes. El primero es por la fricción generada entre el deslizador articulado y la superficie cóncava. Esta fuerza resulta del producto de la fuerza normal a la superficie, W.cos (ɵ), y el coeficiente de fricción dinámico entre las dos superficies en contacto, µ.La fuerza de fricción es el único componente de resistencia que existe cuando el dispositivo está en su posición no desplazada tal como se observa en la figura (8).

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Figura 8: Modelo idealizado de respuesta lateral de un FPS.

La otra fuente de resistencia viene de la componente de W.sin (ɵ), que actúa como fuerza de restauración en dirección tangencial a la superficie cóncava. Cuando el desplazamiento , del dispositivo es pequeño comparado con su radio de curvatura, R, el cos (ɵ), se aproxima a 1 y el sin (ɵ) a . Por lo tanto la fuerza

lateral del FPS se relaciona con el desplazamiento por medio de la ecuación

(1) en donde la resistencia característica del dispositivo viene dada por la

ecuación (2) y la rigidez post-fluencia, , por la ecuación (3).

(1)

(2)

(3)

Al relacionar en la ecuación (1) con el desplazamiento de diseño se

obtiene la rigidez efectiva dada por (4).

(4)

La fuerza de restauración que trata de devolver al dispositivo a su posición original luego del sismo depende directamente de FEMA 450 requiere para el

diseño de edificios aislados, que la fuerza de restauración al nivel de desplazamiento de diseño , sea al menos W/40 mayor que la fuerza de restauración a 50% del

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. Donde W es la carga gravitacional que soporta el dispositivo. Esta condición se

cumple con la siguiente ecuación:

(5)

Las especificaciones para el diseño de puentes aislados de AASHTO (2000) son menos exigentes y requieren que la fuerza de restauración a , sea al menos W/80

mayor que la fuerza de restauración a 50% del y que el periodo de vibración del

sistema de aislamiento calculado en base sea menor que 6 segundos. Estos dos

requisitos se satisfacen con las siguientes ecuaciones:

(6)

(7)

Al igual que en el caso de los LRB, el amortiguamiento equivalente de los FPS puede estimarse con el método de Jacobsen en función de la curva de histéresis, lo que resulta en la ecuación (5).

(8)

4. Diseño de péndulos friccionantes.

Una vez definido el esquema estructural con la ubicación y cantidad de aisladores necesarios, se comienza con el procedimiento de diseño.

4.1. Procedimiento de diseño.

A continuación se presenta un procedimiento de diseño de FPS’s, con los siguientes datos de entrada:

Desplazamiento laterales causados por cargas de servicio .

Resistencia lateral requerida por cargas de servicio .

Peso soportado por el dispositivo

Tensión admisible a compresión del teflón para conformar la lenteja.

Con esta información el diseño se ejecuta de la siguiente manera:

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PASO 1: Determinación del diámetro de la lenteja de teflón.

Se procede a determinar el diámetro de la lenteja en función de la carga transmitida por la estructura, para ello se divide “W” en la tensión admisible del material de la lenteja obteniéndose .

PASO 2: Se adopta un valor de radio “R” mayor a 1.0 metro y un valor de coeficiente de fricción “µ” entre la superficie teflón - acero inoxidable.

PASO 3: Determinación del máximo desplazamiento.

Se determina para el máximo sismo considerado ( ) el valor de desplazamiento

máximo. Para ello es recomendable hacerlo mediante una integración en el tiempo, que considere la no linealidad de la constitutiva.

PASO 4: Verificaciones.

Se deberá verificar lo indicado por las ecuaciones (5) a (7), respecto al valor de la rigidez equivalente.

PASO 5: Determinar las dimensiones del aislador.

El FPS deberá tener un tamaño suficiente para acomodar los deslazamientos laterales por cargas de servicio , más los desplazamientos generados por el

MSC (máximo sismo considerado); también tendrá en cuenta el diámetro de la lenteja de teflón . El diámetro mínimo requerido para el dispositivo se calcula

con la ecuación (9).

(9)

Si es necesario, se volverá al PASO 1 para variar el radio de curvatura “R” y/o el coeficiente de fricción “µ” de acuerdo a los requerimientos para obtener el diseño final.

En los pasos anteriores se han encontrado todos los factores que definen la respuesta lateral del dispositivo. Además se ha determinado el diámetro mínimo para el FPS. El siguiente paso es obtener del fabricante, las propiedades de un dispositivo real, construible, cuyas propiedades se acerquen lo más posible a las propiedades en el diseño. Estas propiedades se obtienen generalmente con ensayos de carga realizados sobre los prototipos de los dispositivos. Así lo disponen FEMA 450 y AASHTO. Además estas propiedades deberán modificarse para considerar los efectos de cambios de temperatura, envejecimiento y de otros factores ambientales. De acuerdo a (Bucle y Constantiou, 2006).

Una vez que se conocen las propiedades reales del dispositivo que se instalara en el sistema de aislamiento se procede con el diseño de la superestructura.

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5. Resultados obtenidos.

Figura 9: Registros Sísmicos considerados en el estudio de la respuesta del Puente. Se observa en primer lugar el registro de la ciudad de Caucete (SJ- Arg 1977) escalado a 0.35 de g, en segundo lugar se encuentra un registro sintético según la Metodología de (Clough Rw., et al; 1975) compatible con el espectro de la Norma INPRES CIRSOC para suelo Tipo II. El tercer registro corresponde de El Centro (EE.UU, 1940), en cuarto lugar el registro de México (1985) y por último, el registro sísmico de Melipilla (Chile, 1985).

Para el estudio se realizó un modelo simplificado que se muestra en el siguiente esquema. Ver Figura (10). Como resultado de aplicar el Procedimiento de diseño,

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detallado anteriormente, se obtuvieron los siguientes valores: Radio de curvatura R=1,50m; Coeficiente de fricción µ=0.03; Diámetro D=1,30 m; Diámetro de la lenteja de Teflón Dt= 0.40 m, Desplazamientos de servicio = 0,05 m. Coeficiente de

Balasto del Suelo: 10 kg/cm3.

Figura 10: Esquema Simplificado del modelo.

Se presenta la respuesta del puente con aislamiento sísmico para diferentes registros de terremotos, presentándose en este caso la reducción correspondiente al Corte Basal. Esta reducción al igual que para otras solicitaciones como por ejemplo: el momento flector, el esfuerzo de corte y las presiones sobre el terreno se reducen muy significativamente en el orden del 70 %.

Se hace notar que para el registro de México, colocar un sistema de sistema de aislamiento sísmico que lleve el período fundamental de la estructura a valores de 2 segundos o más, es contraproducente debido a que el registro tiene características que lo que hace es incrementar la respuesta de las estructuras que tengan estos valores de período propio (2 segundos o más). Esto puede deducirse del espectro de respuesta de México, Figura Nº 9. Si se observa este espectro y se sigue la idea de salirse de la zona de períodos en que las aceleraciones son mayores, para el caso de México sería conveniente construir Puentes o edificios con períodos muy inferiores a los dos segundos.

Por otro lado se hace notar que la reducción de las solicitaciones tiene como contrapartida el aumento de los desplazamientos relativos del tablero respecto de la infraestructura (ver figura 12), lo que lleva a la necesidad de diseñar juntas que puedan absorber adecuadamente estos desplazamientos sin que interfieran en la respuesta sísmica y que luego de producido el terremoto quede inmediatamente restablecido el uso del puente.

Se presenta, en la tabla N°1 y en la figura N° 11, los resultados del proceso de diseño para distintos valores de radio de curvatura y coeficiente de fricción. Los resultados expuestos corresponden a: desplazamiento máximo según sismo de diseño, tamaño mínimo del aislador y amortiguamiento efectivo del sistema. Los desplazamientos medidos corresponden a la aplicación del acelerográma sintético.

En la Tabla N°2 se presenta las tensiones en el terreno para la estructura en los casos con y sin aislamiento sísmico, para los distintos registros sísmicos.

M1=540t (Tablero)

M2=114t (Infraestructura)

Fundación

Sistema de Aislamiento

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Tabla N°1: Valores de desplazamientos máximos, amortiguamiento y dimensiones mínimas del aislador; para distintos valores de coeficiente de fricción y radio de

curvatura.

Radio [m] µ [%] [cm] Diámetro mínimo del

FPS [cm] - Ec.(9) [%] Ec.(8)

100

3 30,5 99 5,7

5 24,4 87 10,8

7 20,1 79 16,4

150

3 40,5 119 6,4

5 28,1 95 13,4

7 19,7 78 22,1

200

3 46,5 135 7,0

5 34,6 108 14,3

7 21,3 81 25,2

250

3 46,1 133 8,7

5 34,8 108 16,8

7 22,6 84 27,8

300

3 45,2 126 10,9

5 33,0 104 19,9

7 22,7 84 30,6

Figura 11: Graficas de desplazamientos máximos para aisladores de distintos radios de curvatura y coeficiente de fricción.

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Figura 12: Respuesta Sísmica del Corte Basal considerando el Sistema de Aislamiento Sísmicos de Péndulo Friccional (línea gruesa) y sin aisladores sísmicos

(línea fina).

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Tabla N°2: Presiones sobre el terreno para diferentes registros sísmicos con y sin aislamiento sísmico.

Registro Tensiones en el terreno, sin aislamiento [kN/m2]

Tensiones en el terreno, con aislamiento [kN/m2]

Caucete 887,9 299,4

Sintético 995,0 495,6

Centro 780,9 263,7

México 352,9 3349,3

Melipilla 459,9 228,0

6. Conclusiones.

Para el puente estudiado, se obtuvieron reducciones superiores al 70% en el corte basal en pilas y estribos, comparando el puente con y sin aislamiento.

Para el caso del puente aislado sísmicamente, la estructura permanece prácticamente en rango de comportamiento lineal, lo que reduce los daños y aumenta su vida útil.

Se presenta un esquema en el cual se muestra que es relativamente sencillo el combinar la técnica de construcción tradicional de puentes de vigas premoldeadas con la incorporación de aisladores sísmicos tipo péndulo friccional.

Se observa que si el suelo tuviera características similares al de la ciudad de México, sería contraproducente instalar un sistema de aislamiento sísmico que eleve el periodo fundamental de la estructura a valores superiores a los 2 segundos.

7. Agradecimientos.

Se agradece a la Facultad de Ingeniería y al Instituto de Materiales y Suelos de la Universidad de San Juan por el apoyo recibo en el trabajo de investigación motivo de la presente publicación.

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8. Bibliografía.

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