Implementacion de Aisladores Sismicos y Disipadores de Energia en Puentes de Japon

7/24/2019 Implementacion de Aisladores Sismicos y Disipadores de Energia en Puentes de Japon

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Implementacin de aisladores ssmicos

y disipadores de energa

en Puentes de Japn

Freddy Duran, Ph.D

Colegio de Ingenieros del Per

Lima, 27 de Mayo del 2015

Toda la informacin tiene derechos reservados de los respectivos autores,

Su uso en esta presentacin es solo con fines educacionales


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Danos ssmicos en los apoyos de puentesEn los 60s


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DANOS OCURRIDOS CUANDO EL EFECTO SISMICO

NO FUE CONSIDERADO O POBREMENTE CONSIDERADO

SISMO DE NIIGATA DE 1964

DESARROLLO DE DISPOSITIVOS DE APOYO

PARA EVITAR LA CAIDA DE TABLEROS

Falla del anclaje

F. Duran C.


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EMGRE SuuS >+=

=Ru

=G

u

LuGG

=

=G

lSEM 005.0+7.0=

Deformacin del suelo para el diseo (0.0025, 0.00375, 0.005)

Desplazamiento del tablero respecto a la base de la subestructura

ES

Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas

por la deformacin ssmica del suelo

Verificacin de los asientos de apoyo

F. Duran C.


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Ejemplo: Longitud de los asientos de apoyo

=Gu

=G

Deformacin del suelo para el diseo 0.005

ES

Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas

por la deformacin ssmica del suelo

Datos: desplazamiento relativo del cabezal del pilar

005.0=G

m0.3=L0.005=uG

muu GR 8.0=+=SE

lSEM

005.0+7.0= mlSEM 85.0=005.0+7.0=

Por lo tanto:

LuGG

=

muR 5.0=

EMGRE SuuS >+= mSE 85.0=

F. Duran C.


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Implementacin de la proteccinssmica en los apoyos

de puentes en los 70s

F. Duran C.


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Ejemplo de implementacin de amortiguadores

viscosos (70s)Metropolitan Expressway,Tokyo

Sliding bearings disipan energa con el periodo natural controladospor cables pretensados entre el tablero y la subestructura

F. Duran C.


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Danos Ssmicos en Puentes causados porEl terremoto de Kobe en 1995

F. Duran C.


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USO COMBINADO DE DISPOSITIVOS DESLIZANTES

DE APOYO y AISLADORES SISMICOS LRB o HDR

DISPOSITIVOS DESLIZANTES DE APOYO

No tienen un alto nivel de amortiguamiento

No tienen fuerza de restauracin

Su uso exclusivo terminara en un dislocamientodespus de un sismo y continuara dislocndose

durante las replicas DEBIDO A SU SUPERFICIE

DE DESLIZAMIENTO PLANA.

El Sistema del Pndulo de Friccin (FPS) modifico la

superficie de deslizamiento a una superficie curva.

Durante el movimiento lateral este se levantaverticalmente produciendo una fuerza de restauracin.

F. Duran C.


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Mecanismo de colapso de puentes (Sismo de Kobe 1995)

F. Duran C.

K. Kawashima


11/95

Vulnerabilidad de apoyos mviles y fijos

Sismo de Kobe 1995

F. Duran C.

K. Kawashima


12/95

Falla en los apoyos de puentes

Sismo de Kobe 1995

F. Duran C.

K. Kawashima


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F. Duran C.

K. Kawashima


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Despus del sismo de Kobe de 1995, se recomend

el uso de Apoyos elastomericos (con goma vulcanizada)

incluyendo LRB y HDR.

Se incremento la fuerza de diseo de los dispositivos de apoy

Los dispositivos de apoyo de acero

tenian las siguientes deficiencias:

Resistencia insuficiente

Debilidad en estructuras con insuficiente capacidadde resistencia lateral

Insuficiente longitud de movimiento

Antes de 1995 el 98% de los dispositivos de apoyo

fueron de acero

Ahora el 90% de los dispositivos de apoyo son elastomericosF. Duran C.


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Generalizacion de la proteccin ssmicaen los apoyos

de puentes despus de 1995

F. Duran C.


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2) Stoppers

1) Sujetadores con cables

Se extendi la longitud del asiento de los apoyos Se incorporo una conexin entre tableros adyacentes Se conecto el tablero a los pilares y estribos de puentes

Despus del Sismo de Kobe de 1995 se generalizo el uso de

sujetadores en los apoyos

F. Duran C.


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Instalacin de dispositivos

deslizantes de apoyo

F. Duran C.


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Instalacin de buffers de goma

F. Duran C.


19/95

F. Duran C.

K. Kawashima


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Puente Takao

Junta de expansin

en el extremo del tablero

F. Duran C.


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Implementacin de aisladores sismicos en el

Puente Ohito (National Highway, Izu, Japon)

Longitud = 1.929 km, 66

F. Duran C.

K. Kawashima


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Viaducto Ichinomiya, Tomei expressway

F. Duran C.

K. Kawashima


23/95

Reparacin ssmica con aisladores en puentes daados

F. Duran C.K. Kawashima


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Reparacin ssmica con aisladores en puentes daados

F. Duran C.

K. Kawashima


25/95

Reemplazo de dispositivos

de apoyo de acero con

aisladores ssmicos LRB

F. Duran C.

K. Kawashima


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Puente existente Puente reforzado

Reforzamiento ssmico usando aisladores en los apoyos

F. Duran C.


27/95

Instalacin de aisladores ssmicos en puentes

Dispositivo deslizante de apoyo

F. Duran C.


28/95

Puente Turukawa,

Tomei Expressway

Aislador sismico F. Duran C.


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Reconstruccin de puentes colapsados

usando aisladores LRB

Original Reconstruido

20 tramos continuos

F. Duran C.


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Stoppers

Sujetadores con cables

F. Duran C.

K. Kawashima


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Filosofa de Diseo ssmico de Puentes

con aisladores y otros disipadores de energ

en Japn

F. Duran C.


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El peso es concentrado en la superestructura,

generalmente en un plano horizontal

La superestructura es robusta pero

la subestructura (pilares y estribos) son vulnerables.

La resistencia ssmica es generalmente diferente en la

direccin longitudinal y transversal de los puentes.

Diferencias conceptuales del

Aislamiento Ssmico en Edificacionesy Puentes

El concepto de aislamiento ssmico en Puentes es

Fundamentalmente diferente al usado en las edificaciones.

Caractersticas estructurales en Puentes :

F. Duran C.


33/95

En un edificio, los aisladores ssmicos son instalados para

reducir las fuerzas de inercia actuantes en los elementos

estructurales encima de los aisladores.

En puentes, los aisladores ssmicos son instalados en los

apoyos de la superestructura para reducir las fuerzas de

inercia en los pilares transmitidas desde la superestructura .

Diferencias conceptuales del

Aislamiento Ssmico en Edificacionesy Puentes

F. Duran C.


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F. Duran C.

Esquema de un puente con aisladores

en los apoyos


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Espaciamiento de juntas en la direccin

longitudinal del puente

Independientemente de la posible ocurrencia de impacto

entre tableros de puentes o entre tablero y estribo en los

asientos de apoyo.

PODRA HABER DANO LOCAL EN EL ESTRIBO,

SIN EMBARGO LOS PILARES ESTARAN PROTEGIDOS

PUES LOS APOYOS AISLADOS NO PUEDEN TRANSMITIRUN NIVEL DE FUERZA CORTANTE QUE DANE LOS PILARES.

F. Duran C.


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Alta rigidez a niveles de deformacin bajos pero una rigidez

reducida a altos niveles de deformacin.

En la descarga cclica estos aisladores HDRB tienen una

curva histertica con significante amortiguamiento.

Aisladores de alto amortiguamiento (HDRB)

F. Duran C.


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F. Duran C.

Norma de diseo ssmico para

el asiento en los apoyos (HDRB)


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Implementacin de aisladores ssmicos para cambiar las

condiciones de apoyo de puentes simplemente apoyados

a puentes continuos

P t i i d t l


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Proteccin ssmica de puentes con el

uso de aisladores ssmicos

F. Duran C.


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Para asegurar que un puente cumpla con el comportamiento estructural

esperado debe cumplir con los siguientes requisitos:

Seguridad

Serviciabilidad

Durabilidad

F. Duran C.


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Aisladores Ssmicos en Puentes de Japn

Despus de los 80s

El uso de Aisladores con goma y laminas de

acero y aisladores con goma, laminas de acero

reforzados con barra de plomo son la base delos dispositivos usados en las actuales

normas de diseo ssmico de puentes en

Japon. El sismo de Kobe acelero laimplementacin del aislamiento ssmico en

Puentes

F. Duran C.


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Aisladores Ssmicos en Puentes de Japn

Amortiguadores han sido usadosefectivamente para distribuir la fuerza

ssmica lateral de la superestructura a la

subestructura con desplazamientosrelativos debido a efectos trmicos,

creep y contraccin

La energa no es disipada en los stopers

de los amortiguadores.

Stopers de amortiguadores viscosos

F. Duran C.

Efecto del aislamiento ssmico


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Desde la perspectiva del espectro de

aceleracion de respuesta

El incremento del periodo de vibracin del

puente reduce la fuerza de corte en la base

(pilares y cimentacion) F. Duran C.

Ef t d l i l i t i


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Desde la perspectiva del espectro dedesplazamientos de respuesta

El incremento del periodo de vibracin del

puente reduce aumenta la demanda del

desplazamiento (apoyos de tableros, juntas,

servicio) F. Duran C.

Proteccin ssmica de puentes con el uso de


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Idealizacin de los mecanismos de disipacinde aisladores ssmicos

Proteccin ssmica de puentes con el uso de

aisladores ssmicos

F. Duran C.


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PRECAUCIONES con el uso de aisladores

ssmicos en puentes

El uso de aisladores ssmicos implica el

incremento del periodo natural PEROTAMBIEN CAUSA el incremento del

desplazamiento del tablero

Ejemplo:

Periodo con apoyos fijos = 0.8 seg

Periodo con aisladores ssmicos = 1.5 - 2 segDesplazamiento del Tablero = 0.3 - 0.7 m

F. Duran C.



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Como el espaciamiento en las juntas de

expansin es pequeo:

El desplazamiento grande debido a los

aisladores en los apoyos resultara en unacolisin entre tableros lo que causara una

gran fuerza lateral transferida de un

tablero a otro.


ssmicos en puentes

F. Duran C.



48/95

Se recomienda que el periodo natural del

movimiento del tablero NO SEINCREMENTE EXCESIVAMENTE


ssmicos en puentes

Se debe poner nfasis en:

El incremento de la capacidad de energade disipacin, y

La distribucin de la fuerza lateral

ssmica de un tablero al mayor numero

de pilares posible. F. Duran C.



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Se recomienda que el periodo natural del

movimiento del tablero con aisladoressismicos en los apoyos sea EL DOBLE del

tablero sobre apoyos fijos


ssmicos en puentes

Por lo tanto:

En el diseo Menshin, es posible que

ocurra desplazamiento histerticoinelstico en los pilares debido a que el

periodo no sea incrementado lo suficiente.

F. Duran C.


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El diseo de puentes con aisladores

ssmicos en los apoyos permite la

construccin de Puentes continuos devarios tramos con distribucin de la fuerza

lateral ssmica a los pilares

Aplicacin de aisladores ssmicosen puentes

Di d P t i l d


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Como el diseo del sistema estructural

depende de las caractersticas de losaisladores , se requiere un procedimiento

iterativo de diseo.

Diseo de Puentes con aisladores

ssmicos en los apoyos

Pasos del diseo iterativo:

Anlisis inelstico esttico del puente

con aisladores Anlisis de respuesta dinmico

inelsticoF. Duran C.


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Ejemplo de resultados de un anlisis

ssmico de un puente de 5 tramos

con aisladores ssmicos en los apoyos

F. Duran C.

Resultados del anlisis ssmico


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de un puente con aisladores

F. Duran C.


54/95

El diseo de puentes con aisladores

ssmicos en los apoyos permite la

construccin de Puentes continuos devarios tramos con distribucin de la fuerza

lateral ssmica a los pilares

Aplicacin de aisladores ssmicosen puentes

F. Duran C.

MERCADO DE AISLADORES SISMICOS


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El Mercado de aisladores ssmicos es principalmentedistribuido con diversos modelos de:

Aisladores ssmicos LRB . Actualmente esta sin patente

nica, por lo que hay muchos fabricantes en el mundo

Aisladores ssmicos HDR. Algunos componentes estn

patentados, pero varios fabricantes tienen sus propiosmodelos, generalmente con similar nivel de

comportamiento mecnico.

Aisladores ssmicos planos (Flat Sliding Bearings) y

Aisladores con el sistema del pndulo de friccin (FPS).

Es patentado pero con licencias en muchas partes.

MERCADO DE AISLADORES SISMICOS

F. Duran C.

Diferencia entre el diseo de una estructura con


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aisladores ssmicos con otra estructura sin aisladores

ssmicos

Los aisladores ssmicos necesitan ser diseadosEl nivel de anlisis requerido es usualmente alto

El diseo de aisladores esta gobernado por un

pequeo numero de ecuaciones y no requieren un

anlisis numrico extensivo.

El comportamiento de los aisladores ssmicos esta

basado en la aproximacin de una masa, asumiendo

rgidos los pilares y estribos del puente o tambin

pilares flexibles con excentricidad de cargas. F. Duran C.

Evaluacin de Puentes con aisladores ssmicos


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Evaluacin de Puentes con aisladores ssmicos

La evaluacin de puentes con aisladores ssmicos en

los apoyos requiere de un anlisis dinmico de

respuesta espectral o tiempo-historia. Normalmentese efectan los 2 anlisis.

Si la no-linealidad esta restringida a los aisladoresssmicos entonces se puede usar un software como

el SAP2000

Si la no-linealidad del sistema estructural necesita ser

modelada entonces otros softwares con gran

capacidad de uso de subrutinas puede ser usado.

F. Duran C.

Proveedor de aisladores ssmicos para puentes:


58/95

Proveedor de aisladores ssmicos para puentes:

Debido al continuo mejoramiento en la industria de

aisladores ssmicos:

Se debe asegurar un fabricante que pueda proveer

componentes de aisladores en el tiempo que se

requiera

Hay una variedad de aisladores ssmicos del tipo LRB

y HDRB para puentes en condiciones de carga

standard los cuales se comportan bien en nivelesrelativamente bajos de deformacin, ej. 25%.

Sin embargo, en zonas ssmicas se puede requerir

aisladores sismicos con niveles de deformacin 10 F. Duran C.



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y HDRB para puentes en condiciones de cargaestndar los cuales se comportan bien en niveles

relativamente bajos de deformacin, ej. 25%.

Sin embargo, en zonas ssmicas se puede requerir

aisladores ssmicos con niveles de deformacin 10

veces mas altos, hasta un 250%.

Por lo tanto:

La fabricacin de aisladores ssmicos con alta

capacidad de deformacin requieren condiciones defabricacin mas exigentes lo cual incrementa el costo

En este aspecto, son criticas las tcnicas de

pegamiento de las laminas de acero con la goma, as

como la limpieza del lugar de fabricacin. F. Duran C.


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Fabricantes de Aisladores ssmicos y disipadores de

energa para edificios y Puentes

F. Duran C.


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Durabilidad de Puentes aislados ssmicamente

Muchos de los aisladores ssmicos usan materiales

no tradicionales en ingeniera estructural tales como

el TEFLON.

Los ingenieros estructurales tienen en cuenta la vida

til de diseo de estos aisladores, que usualmente esde 50 aos o mas.

Por que 50 aos o mas?La respuesta ser tomando en cuenta el

comportamiento de dispositivos de apoyo

elastomericos en puentes de mas de 40 aosF. Duran C.

Durabilidad de aisladores ssmicos.


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(Los dispositivos de apoyo elastomericos estn compuestos por

capas de goma unidas a placas de acero)

Por que 50 aos o mas?

Teniendo en cuenta que los dispositivos de apoyo

elastomericos han sido usados satisfactoriamente en

los ltimos 50 aos

Ensayos de corte en apoyos elastomericos colocados enpuentes hace 40 aos indican que:

El incremento de la rigidez fue solo del 7%

La oxidacin ocurri hasta 10mm-20mm desde

su superficie.

Con la tecnologa actual de proteccin contra la

oxidacin y resistencia a la degradacin del ozono, es

factible esperar exceder los 50 anos de vida til F. Duran C.

D bilid d d i l d i


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Durabilidad de aisladores ssmicos.

Por que 50 aos o mas?

Actualmente todos los aisladores ssmicos sonfabricados con un proceso de vulcanizacin y

pegados en caliente sometidos a alta presin.

El proceso de curado para aisladores de gran

dimensin puede tomar mas de 24 horas

Continuacin.

Algunos dispositivos de apoyo son fabricados

con goma sinttica, usualmente neopreno.

El neopreno tiende a endurecerse con el tiempo

por esta razn el neopreno no se usa en

aisladores. Sin embargo hay que tener precaucin

con aisladores con goma sinttica


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Aisladores ssmicos de acuerdo a la actual

norma de diseo ssmico de puentes

en Japn

Tipos y aplicaciones

F. Duran C.

Aislador ssmico de ultra amortiguamiento de caucho


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Goma natural basada en una formulacin

especial, formulado por una serie de elementos de

amortiguamiento viscosos entre los elementos de

amortiguamiento de friccin. Alto rendimiento histertico.

Alto rendimiento de amortiguamiento,

Alta durabilidad

y laminas de acero (HDR-S),

F. Duran C.

Aislador ssmico de ultra amortiguamiento de caucho


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y laminas de acero (HDR-S),

F. Duran C.

Aislador ssmico de caucho y acero laminado con tapn

de plomo en el cojinete de caucho laminado (SPR) con


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Vulcanizacin unida a la capa de goma alrededor del

agujero,

Caucho de alto rendimiento de aislamiento ssmico

El efecto del muelle es estabilizar el comportamiento

durante la deformacin por corte,

Hay libertad de diseo de la altura aislador

Rendimiento estable por el efecto de retencin de plomo

de p o o e e coj ete de cauc o a ado (S ) co

un orificio cilndrico en el cojinete

F. Duran C.

Aislador ssmico de goma natural

l i d t


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Alta capacidad de carga,

Gran deformacin por corte y resistencia a la rotacin

Larga duracin manteniendo el funcionamiento establea largo plazo para la fuerza de corte requerida.

La unin firme de la goma con las laminas de acero

absorben bien la energa ssmica transmitida y reducen

la vibracin del aislador. Capacidad de deformacin plstica de acuerdo con la

deformacin de la goma laminada. Hay libertad para cambiar

el tamao de la clavija de plomo, y tamao del aislador y

algunas propiedades LRB. Fcil reemplazo y mantenimiento

con laminas de acero y con tapn

de plomo (LRB)

Aislador ssmico de goma natural con laminas de acero

y con tapn de plomo (LRB)


69/95


F. Duran C.




70/95


F. Duran C.




71/95


Aplicacin: Aisladores LRB en los apoyos de

tableros de concreto

F. Duran C.

Aisladores Ssmicos Hbridos (HB)


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Absorben el desplazamiento y rotacin del tablero del puent Estructura de soporte en el cojinete superior, y la porcin

de caucho laminado en la parte inferior.

Permite un diseo racional para mejorar el diseo ssmico

Reduccin del costo de construccin.

Capaz de acomodar una amplia gama de requerimientos

F. Duran C.

Aisladores Ssmicos DSF


73/95

Modelo antiguo

F. Duran C.

Aisladores Ssmicos DSFGran rendimiento, fuerzas y deformaciones.


74/95

Modelo actual1 mi

Gran rendimiento, fuerzas y deformaciones.

1. De acuerdo al nivel de diseno sismico (April 2004)

con comportamiento sismico mejorado.

2. Combina la resistencia a la fuerza vertical y rotacion.

3. Alta calidad, paso el ensayo de Fatiga a la compresion

con 2 milones de ciclos de Japan Highway Public

Corporation

F. Duran C.

Aisladores DSF ,Alta calidadde distribucin de fuerzas laterales


75/95

1. Capacidad de soportar simultaneamente grandes

cargas verticales y fuerzas laterales .2. Alta perfomance durante sismos severos.

3. 300% de capacidad de deformacion lateral

Japan Highway Public Corporation of the standard).

47mu,10y F. Duran C.

Puente en Japan Highway, Tohoku


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Puente Kidobashi, Nagoya

Puente continuo de 8 tramos,

concreto postensado, Tablero de acero

Puente de 3 tres tramos simplemente

apoyados +14 tramos continuos,

Concreto postensado,

Tablero de seccion cajon

1392 m

F. Duran C.


77/95

Dispositivos complementarios para mejorar

la proteccin ssmica enlos apoyos de puentes

F. Duran C.

Distribuidores de Fuerza Lateral DSF


78/95

1. La funcion principal es limitar el desplazamiento

sismico de tableros adyacentes.2. Goma con gran capacidad a la compresion.

3. Su instalacion es simple. En particular para

puentes prefabricados.

4. Alto rendimiento a la carga ciclica.

Para puentes pequenos y medianos - Luces menores de 250 m

F. Duran C.

Distribuidores de Fuerza Lateral DSF


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Kumiyama viaducto (Region de Kinki)

Puente de 10 tramos de Concreto (290 m)

con losa de concreto

F. Duran C.

Sistema compuesto por aislador ssmico y resorte vertical


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Puede ser usado como aislador sismico tipo

LRB con mayor rigidez lateral que la

convencional

F. Duran C.


81/95

Aisladores ssmicos en el mantenimiento

de puentes en Japn

F. Duran C.

Aisladores Ssmicos en el

Mantenimiento de Puentes


82/95

F. Duran C.


83/95

Implementacin de amortiguadores

(disipadores de energa)

en la proteccin ssmica de apoyosde puentes en Japn

F. Duran C.

Dispositivos de disipacin de energa

Amortiguadores Vicosos


84/95

Fuerza de friccion vs Desplazamiento

del piston del amortiguador

Comportamiento histeretico con alto

grado de absorcion de energia

F. Duran C.


Amortiguadores Vicosos


85/95

Fuerza de friccion vs Desplazamiento

del piston del amortiguador

Comportamiento histeretico no variasignificativamente con el numero de

ciclos histereticos

La fuerza de friccion no es afectado

significativamente ante cambios

extremos de temperatura

F. Duran C.



86/95

Amortiguadores Vicosos KVD

Disipadores de energia, usan un cilindro hidraulicointerno con aceite para el mecanismo de absorcion

de energia

Alta capacidad de amortiguamiento debido a la altacapacidad de absorcion de energia permitiendo la

reduccion del desplazamiento del tablero.

Es un dispositivo moderno y su aplicacion se esta

extendiendo al reforzamiento sismico de puentes. F. Duran C.


Amortiguadores Vicosos KVD


87/95

El amortiguador viscoso KVD utiliza la resistencia

friccional del material viscoso dentro del cilindro

Utiliza un mecanismo tipo piston entre 2 cilindrosresistentes a la torsion y deformacion

El material viscoso puede ser afectado por los cambios

extremos de temperatura

Su diseno tiene variedad de opciones. Tiene uncomportamiento estable

Su produccion se ha estandarizado de acuerdo al

amortiguamiento y la fuerza F. Duran C.

Amortiguadores para reducir el movimiento

de tableros de puentes durante sismos fuertes


88/95

Aplicacin:

F. Duran C.


89/95


en las juntas de expansin de los

tableros de puentesen Japn

F. Duran C.

Dispositivos de disipacin de energa en juntas de expansin

Alta d rabilidad e celentes propiedades


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Alta durabilidad y excelentes propiedadescontra la abrasion

Tipo 1: Para puentes pequeos y medianos

Cumple los estndares JaponesesGran capacidad de contraccin, expansin,

Resistente a la rotacin

Proteccin a la penetracin de agua

Expansion: 56-126 mm

F. Duran C.

Dispositivos de disipacin de energa en juntas de expansin


91/95

F. Duran C.

Dispositivos para prevenir la cada de tableros

durante sismos fuertes


92/95

F = 330 kN 2000 kN

Ejemplo: F = 330 kN 2000 kN, A= 208 mm2

slip : 36 mm

F. Duran C.


93/95

Mantenimiento de Puentes

F. Duran C.


94/95

F. Duran C.


95/95

Gracias

F. Duran C.

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