I. ANTECEDENTES.A inicios del siglo pasado aparece el concreto armado; pero lo mismo que para las estructuras de albañilería, las primeras obras que usan este material resultan demasiado masivas para que los movimientos en los apoyos sean significativos.

Al fin de la 2da. Guerra Mundial , la necesidad de reconstruir rápidamente las obras destruidas; además, de la escasez de acero de construcción, favorecieron un rápido desarrollo del concreto armado y sobre todo del concreto preesforzado.

La construcción de obras cada vez más esbeltas necesitaba la colocación de dispositivos de apoyo que permitan los movimientos. Así, aparece en el mercado el uso del caucho aprovechando sus propiedades de deformabilidad.

Su uso no es nuevo ya en 1830 los ferrocarriles Ingleses colocaron patines amortiguadores en caucho natural entre las rieles y durmientes .

Eugene FREYSSINET, idea magistralmente el empleo de placas de caucho como apoyo como aparatos de apoyo, asociando el metal y el elastómero en un mismo producto.

A partir de 1952 se fabrican los primeros apoyos constituidos por hojas de elastómeros y napas en parrilla metálica de estaño por FREYSSINET INTERNATIONAL, pronto se evidenció su débil resistencia a la compresión y un asentamiento excesivo.

En 1956 esos apoyos se abandonaron y fueron reemplazados por laminas de acero adherido al caucho por vulcanización. Así, nacieron los aparatos de apoyo en elastómero zunchado. Actualmente, es extenso el uso de nuevas mezclas de elastómeros asociado con hojas de deslizamiento en Polytetrafluoretileno (P.T.F.E) y acero inoxidable para resistir la corrosión en medios agresivos.

II. FUNCIONES DEL APARATO DE APOYOEl rol del aparato de apoyo, colocado en la unión entre una estructura y su soporte, es permitir dentro cierto límites y bajo ciertas condiciones: La transmisión de esfuerzos La acomodación de los movimientos relativos entre la superestructura y la

infraestructura, de desplazamientos y rotaciones y, al mismo tiempo garantizar la estabilidad de conjunto

La trasmisión a la infraestructura de las reacciones verticales y horizontales producidas por las diferentes acciones y solicitaciones.

III. TIPOS DE APARATOS DE APOYO

En función de la magnitud de las luces de los vanos y de los materiales se empleanapoyos desde una simple chapa sobre chapa metálica hasta complicados ysofisticados aparatos de apoyo.

Los aparatos de apoyo pueden ser clasificados de la siguiente manera:a) Fijos, que permiten rotación pero no desplazamientob) Móviles, que permiten desplazamiento y rotación.c) Mixtos, constituidos por placas de plomo o similares y también por apoyos de goma

llamados de NEOPRENO y los mas modernos de NEOFLON por las múltiples ventajas que ofrecen.

La presión admisible, las cargas verticales, las cargas horizontales, los desplazamientosparciales admisibles tanto longitudinal como transversal, la capacidad de rotación, son los parámetros fundamentales que definen y caracterizan los diferentes tipos de apoyo.

En los inicios del uso de aparatos de apoyo se utilizaron diferentes tipos, entre ellos podemosmencionar:1. Aparatos de apoyo de simple chapa2. Aparatos de apoyo de acero moldeado3. Aparatos de rodillos: Con uno, dos y cuatro rodillos

Sin embargo, las nuevas exigencias en cuanto a vanos largos, grandes cargas aplicadas,consideraciones de diseño sismo resistentes, a taque del intemperismo, mantenimiento preventivo y otros han permitido que grandes empresas fabricantes desarrollen tecnologías defabricación ultra modernas para establecer un vinculo fiable entre el tablero de puente y la sub estructura. Los aparatos de apoyo por lo tanto, además de soportar y transmitir a los estribos y pilas las cargas verticales y los esfuerzos horizontales de la superestructura, según el diseño y tipo de puente permitirán o impedirán ciertos movimientos relativos.

Si consideramos una gama de aparatos de apoyo que en la actualidad se utilizan podemos mencionar que la mayoría de ellos están fabricados a base de polímeros, neopreno, Teflón, Polytetrafluoretileno (PTFE) entre otros.

Los tipos modernos más conocidos son: Pot Bearing y los Elastoméricos.

1. Aparatos de apoyo tipo POT BEARING (placa-elastomérica) están compuestos de un disco de material elastomérico encapsulados y contenido entre una placa base y una cubierta de acero.

El campo de aplicación propio de este tipo de aparatos de apoyo, esta previsto en estructuras de grandes luces y considerables concentraciones de carga, desplazamientos y rotaciones propias de la Ingeniería Civil (en puentes para autopistas, vías rápidas de circulación, puentes de ferrocarriles de alta velocidad, etc.)

1.1) Pot Bearing Fijo• Soportan cargas de componente vertical y horizontal• Permiten el giro en cualquier dirección• Movimiento coartado tanto longitudinal como transversalmente

Plato SuperiorPistón de Acero

Plato Inferior de AceroCon almohadilla elastomérica confinada y sellada mediante anillos metálicos de latón

1.2) Pot Bearing Multidireccional/Libre• Soportan cargas de componente vertical • Permiten el giro en cualquier dirección• Permiten el movimiento tanto longitudinal como transversalmente

Plato Superior DeslizantePlaca de acero con lamina de acero inoxidable soldadaen su cara inferior

Plato Intermedio o PistónPistón de acero con lamina alveolar de P.T.F.E (Teflón)virgen en su cara inferior, impregnada de grasa desilicona para asegurar la lubricación durante el deslizamiento de la placa superior.

Plato Inferior o Cazoleta “Pot”Placa de acero con almohadilla elastómerica confinaday sellada mediante anillos metálicos de latón

1.3) Pot Bearing Unidireccional / Guiado• Soportan carga de componente vertical• Permiten el giro en cualquier dirección • Permiten el movimiento horizontal en un único eje

Plato Superior DeslizantePlaca de acero c0n dos lamina de acero inoxidable soldadas en su cara inferior

Plato Intermedio o PistónPistón con guía central de acero y dos semi discosalveolares PTFE (Teflón) virgen en su cara superior,rellenos de grasa de silicona para asegurar la lubricaciónde las superficies deslizantes de contacto.

Plato Inferior o Cazoleta “Pot”Placa de acero con almohadilla elastómerica confinaday sellada mediante anillos metálicos de latón

2. Aparatos de apoyo tipo elastomérico

Son los mas usuales y utilizados en puentes y estructuras de obra civil de tipo medio, así

como en obras de edificación prefabricadas y/o edificación industrial.

Se trata de aparatos de apoyo fabricados con caucho normalizado, capaces de soportar y

transmitir cargas de la superestructura a la subestructura.

Podemos diferenciar dos grandes grupos, con o sin armadura interior:

2.1) Apoyos elastoméricos no armados de espesor reducido Se presenta en formato rollo, su presentación es de la siguiente manera:

2.2) Elastomeric Bearing: Se trata de apoyos elastoméricos zunchados con laminas de acero embebidas en el caucho que permiten controlar su deformabilidad bajo compresión.

Las características elásticas propias de este tipo de aparatos de apoyo, permiten pequeños

giros y movimientos horizontales relativos en cualquier dirección entre el tablero y la pila o

el estribo.

Según los requerimientos de proyecto, se pueden diseñar las siguientes variantes:

Tipo 1: Apoyos elastoméricos armados:

Con zunchos de acero.

Tipo 2/3: Apoyos elastoméricos armados, con dos placas

externas de acero, y anclajes a la estructura, evitando

cualquier movimiento entre el apoyo y la estructura en el

caso que la fuerza horizontal no sea lo suficientemente

grande como para evitar por fricción dicho desplazamiento.

Posibilidad de fabricación con orificios y pernos de anclaje

lisos o roscado según tipo de estructura. Así, se emplearán

pernos lisos (Tipo 2) en estructuras de hormigón “in situ”, mientras que los pernos roscados

(Tipo 3) serán de utilidad en estructuras metálicas o como sistema anti levantamiento.

Tipo 4: Apoyos elastoméricos: Armados con dos placas

externas de acero y anclajes tipo “pin” que conectan a placas

de acero para asegurar el apoyo a la estructura. La fuerza

horizontal se transmite a través de “pins” o salientes cilíndricos

de acero confiados entre la chapa del propio apoyo y otra

adicional fijada a la estructura. Está diseñado para facilitar las

labores de montaje de superestructuras metálicas,

prefabricadas de hormigón o en aquellos casos en los que esté

limitada la altura de izamiento del tablero.

Tipo 5: Apoyos elastoméricos: Armados con dos placas

externas de acero gofradas, con acabado superficial rugoso

para facilitar la fijación a la estructura con adhesivo.

3 ) Elastomeric Bearing Especiales

Se emplean cuando se requieren grandes movimientos sin transmitir carga horizontal

de una parte de la estructura a otra. Es el resultado de la combinación de un apoyo

elastomérico armado, con una lámina de PTFE (teflón) vulcanizada directamente sobre su

superficie, que permite el deslizamiento de la placa de acero superior sobre la que descansará

la superestructura, reduciendo el coeficiente de fricción. Dicha chapa superior dispone de una

lámina de acero inoxidable en su cara inferior para permitir el efecto deslizante.

Tipo Fijo

Desplazamiento horizontal impedido.

Tipo MultidireccionalDeslizamiento libre en ambas direcciones.

Tipo GuiadoDesplazamiento permitido en una únicadirección, longitudinal o transversal, coartadomediante guías de acero dispuestas en sentido contrario al movimiento esperado.

3. Aparatos de Apoyo Especiales El fabricante FRYSSINET puede diseñar y suministrar aparatos de apoyo especiales para responder a aplicaciones especiales, así como sucede con otros fabricantes. Con objeto de mostrar estos aparatos ultra modernos y muy especiales se presentan algunos ya instalados de acuerdo a requerimientos técnicos particulares.

1. Beirut – Frontera Siria: Aparato de apoyo antilevantamiento

2. Viaducto C-380 Taiwán: Aparatos de apoyo para cargas sísmicas muy elevadas

3. Vía CC-601 Hong Kong: Aparato de apoyo

con topes provisionales.

4. Puente Oresund Dinamarca – Suecia: Aparato de apoyo auto centrado .

5. Puente Penang Malasia: Aparato de apoyo doble

6. TAV - Italia: Aparato de apoyos fijos de rigidez horizontal controladas.

7. Sungai Prai – Malasia: Aparato de apoyo antilevantamiento

8. Puente sobre el Río Some Suiza: Aparato de apoyo

9. Stele Washington – Miami EE. UU. : Aparato de apoyo antilevantamiento

IV. Control de Calidad

La utilización de materias primas de excelente calidad,

permite asegurar la durabilidad y prolongar la vida útil de

los aparatos de apoyo. Normalmente los fabricantes siguen

un proceso de control de calidad completo, que se inicia en

la fase de diseño considerando las cargas y movimientos

previstos en proyecto para el óptimo funcionamiento de la

estructura. La selección de las materias primas de la

máxima calidad, el proceso de producción contrastado

y el control de los acabados, garantizan la calidad constante

del producto final y unas prestaciones técnicas fiables,

avaladas por normativas unificadas a nivel mundial.

Generalmente, los fabricantes expiden el correspondiente

Certificado de Calidad-Conformidad de los apoyos

diseñados, fabricados y suministrados para cada

Proyecto. El buen funcionamiento de los apoyos, se

complementa con ensayos específicos realizados en

laboratorios independientes homologados y acreditados a

nivel internacional.

Apoyo POT: Ensayo dinámico a fatiga (2 E 06 ciclos alternativos de carga).

V. PROCESO CONSTRUCTIVO Y DE INSTALACION

1. Instalación del aparato de apoyo sobre su soporte

2. Ajuste del aparato de apoyo

La correcta instalación de los aparatos de apoyo es una operación minuciosa y determinante para su durabilidad. La falta de precisión o errores en las diferentes etapas de la instalación pueden generar esfuerzos muy perjudiciales para los aparatos de apoyo durante el tiempo de vida de las construcciones e, incluso, poner en peligro toda la estructura. A cada proyecto le corresponde un procedimiento de instalación propio.

La siguiente secuencia ilustra el montaje de un aparatode apoyo Tetrón CD para una estructura hormigonado in situ:

3. Confección de la almohadilla inferior

4. Encofrado, armado y hormigonado de la la superestructura

5. Liberación de las fijaciones provisionales

VI. DISEÑO DE ELASTOMERIC BEARING

6.1 Procedimiento de diseño de acuerdo a la norma AASHTO – LRFD

Los pasos son los siguientes:

1) Determinar la elongación de la viga por efectos de temperatura2) Determinar el acortamiento de viga debido al pos tensado y contracción del

concreto.3) Seleccionar el espesor del apoyo basado en los requerimientos de

movimiento total del aparato de apoyo (Art. 14.7.5.3.4).4) Calcular el tamaño de apoyo basado en el esfuerzo a compresión para el

mismo (Art. 14.7.5.3.2).

5) Calcular la deflexión instantánea de compresión (Art. 14.7.5.3.3).6) Combinar la máxima rotación del apoyo7) Verificar la compresión y rotación del apoyo (Art. 14.7.5.3.5)8) Verificar la estabilidad del apoyo (Art. 14.7.5.3.6)9) Verificar el refuerzo de acero del apoyo (Art. 14.7.5.3.7)

6.2 Conformación geométrica del puente

Figura 1. Esquema del puente

Datos para el diseño:

L = Longitud expandible del puente = 40 m.RDL = Reacción debida a carga muerta = 690 kNRLL = Reacción debida a carga viva (sin impacto) = 220 kNӨs = Rotación de diseño del apoyo al estado limite de servicio = 0.025 rad.Δt = Máximo cambio de temperatura = 21º.ΔPT = Acortamiento de la viga debido al pos tensado = 21 mmΔSH = Acortamiento de la viga debido a la contracción del Ho. = 2 mm

G = Modulo de corte del elastómero = 0.9 ~ 1.38 Mpa.γ = Factor de carga para temperatura uniforme, etc. = 1.2ΔFTH = Constante de amplitud de fatiga máxima Categoría A = 165 Mpa

Usando un apoyo reforzado durómetro 60.

Fy = Esfuerzo de fluencia del acero = 350 Mpa.

Usando apoyo deslizante (móvil):

1.Desplazamiento por temperaturaDel Art. 5.4.2.2, para hormigón de densidad normal, el coeficiente de

expansión térmica α es:α = 10.8 x 10-6 / ºC

ΔTEMP = (α) (Δt) (L) = (10.8 x 10-6 / ºC) ( 21º) (40.000 mm) = 9 mm.

2.Acortamientos de la viga

ΔPT = 21 mm y ΔSH = 2 mm

3.Espesor del apoyo

hrt = espesor total del elastómero hri = espesor de la i-ésima capa de elastómero

n = Numero de la capa interior del material elastoméricoΔs = Movimiento longitudinal máximo del apoyo = γ (ΔTEMP + ΔPT + ΔSH) = 1.2 x ( 9 mm + 21 mm + 2 mm ) = 38.4 mmhrt = Espesor del apoyo > 2 Δs (AASHTO Ecuación 14.7.5.3.4 -1)Hrt = 2 x (38.4 mm) = 76.8

Verificar con hrt = 120 mm hri = 20 mm y n =5

Figura 2. Curva esfuerzo-deformación ( AASHTO Figura C14.7.5.3.3.1)

4) Tamaño del apoyoL = Longitud del apoyoW = Ancho del apoyoSi = Factor de forma del espesor de cada capa del apoyo =

Para un apoyo sujeto a deformación por corte, los esfuerzos de compresión deben satisfacer:

σs = Esfuerzo de compresión promedio debido al total de la carga ≤ 1.66GS ≤ 11 (AASHTO Ec. 14.7.5.3.2-1)

σs = Esfuerzo de compresión promedio debido a la carga viva ≤ 0.66GS (AASHTO Ec. 14.7.5.3.2-1)

Asumiendo un σs es crítico y resolviendo por prueba y error para L y W.L = 300 mm y W = 460 mm

Satisface!

5.Deflexión Instantánea por Compresión

Para σs = 6.59 MPa y S = 4.54, se puede determinar el valor de a partir de la Figura 2.

6.Rotación máxima del apoyo

La capacidad rotacional máxima del apoyo puede ser calculada como sigue:

Satisface!

7. Compresión y rotación combinadas del apoyo:

a) Requerimiento de levantamiento ( AASHTO Ec. 14.7.5.3.5-1)

Satisface!

b) Requerimiento de deformación al corte (AASHTO Ec. 14.7.5.3.5-2)

Satisface!

8. Estabilidad del apoyoLos apoyos deben ser diseñados para prevenir inestabilidad para el estado decombinaciones de carga al limite de servicio. El esfuerzo de compresión promedioen el apoyo esta limitado por la mitad del esfuerzo de pandeo previsto. Para el presente ejemplo, el tablero del puente, es libre de trasladarse horizontalmente, elpromedio del esfuerzo de compresión debido a la carga muerta y viva, σs, debe

satisfacer:

donde:

Satisface!

9. Refuerzo de Acero para el apoyoEl refuerzo de acero para el apoyo debe ser diseñado para sostener los esfuerzosde tracción inducidos por la compresión en el apoyo. El espesor del refuerzo deAcero, hs, debe satisfacer:

a) En el estado limite de servicio:

Rige !

b) En el estado limite de fatiga:

donde: hmax es el espesor de la capa de espesor máximo del apoyo elastomérico = hri

Entonces se tiene como resultado los siguientes detalles del elastómero de apoyo:

Cinco capas interiores de 20 mm de espesor cada una Dos capas exteriores con 10 mm de espesor cada una Seis refuerzos de acero de 1.2 mm de espesor cada una El espesor total del apoyo es de 127.2 mm Dimesiones del apoyo: 300 mm (longitudinal) X 460 mm (transversal)