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TÓPICO 2 (Rehabilitación y refuerzo de estructuras)

Procedimientos de evaluación y rehabilitación de pilas de puentes dañadas por sismo

Manuel Jara1,a, José M. Jara2,b y J. Jesús Álvarez3,c 1,2,3 Facultad de Ingeniería Civil, Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Edificio de

Posgrado, Ciudad Universitaria, Morelia, Mich., México [email protected], [email protected], [email protected]

Palabras-clave: Evaluación daño, pilas, rehabilitación, puentes, daño sísmico

Resumen.

Se presenta un procedimiento para evaluar la capacidad sísmica de pilas de puentes de concreto reforzado, y se discuten los procedimientos que pueden emplearse para rehabilitarlas y/o repararlas. El procedimiento de evaluación se basa en la determinación de las rotaciones que la pila es capaz de soportar y en su comparación con la demanda sísmica en el sitio de ubicación de la estructura. Con el procedimiento descrito se pueden estimar distintos niveles potenciales de daño para proponer el nivel de rehabilitación requerido. Si la pila requiere algún tipo de refuerzo de acuerdo con el procedimiento de evaluación, o bien, si se encuentra previamente dañada, entonces se describen los principales procedimientos existentes para mejorar su capacidad sismo-resistente. Se consideran técnicas tradicionales para incrementar la resistencia y rigidez del elemento, el uso de materiales compuestos y la aplicación de elementos de aislamiento de base. Se analizan las distintas técnicas de rehabilitación desde un punto de vista técnico y económico de acuerdo con el nivel de daño y con el nivel de rehabilitación requerido.

Introducción Los puentes son estructuras sísmicamente vulnerables, tal y como ha

quedado en evidencia en temblores importantes ocurridos en las últimas dos décadas [1]. Los daños y pérdidas económicas derivadas de las afectaciones a los puentes se han producido en países con un nivel de desarrollo económico y técnico destacado a nivel mundial. A pesar de ello, en los países latinoamericanos, las fallas sísmicas en los puentes han sido más bien reducidas. Una explicación a esta circunstancia se fundamenta en el hecho de que la mayor parte de los puentes que constituyen las redes carreteras en estos países, tienen tipologías que conducen a una elevada resistencia ante acciones de tipo sísmico. Muchos de los puentes son estructuras de claros cortos simplemente apoyados, sobre pilas tipo muro construidas con mampostería o concreto (Fig. 1), lo que les confiere una resistencia muy elevada en dirección transversal. La resistencia en dirección longitudinal


también resulta excesiva con respecto a la baja demanda que se produce en la dirección débil de las pilas, ya que la elevada rigidez axial de la superestructura, la longitud típica de este tipo de puentes y la condición de apoyo fijo que se presenta en los estribos, reduce los efectos sísmicos longitudinales.

Figura 1: Puente tradicional construido antes de la década de 1980, soportado por pilas tipo muro y con una alta resistencia sísmica en ambas direcciones

No obstante, la situación ha cambiado en forma importante en las últimas décadas. La modernización de las redes carreteras ha exigido la construcción de nuevas estructuras, cuyas características las hacen más vulnerables a las acciones de tipo sísmico. Los puentes son ahora de mayores longitudes, con claros más grandes y superestructuras continuas. La mayor parte de estas construcciones trabajan predominantemente a flexión y tienen como elementos sísmicamente más vulnerables a las pilas (ver figura 2). La subestructura de estos puentes se forma con pilas tipo marco, o de una sola columna, con una importante irregularidad lateral originada en las distintas alturas de cada uno de los apoyos. A continuación se describe un procedimiento para estimar la vulnerabilidad sísmica de pilas de concreto y las características principales de las alternativas de rehabilitación.

Criterio de evaluación del daño Como existe evidencia física y analítica que confirman que el daño que

se genera durante un sismo se correlaciona muy bien con las deformaciones que experimentan el concreto y el acero de refuerzo, se ha propuesto como alternativa de diseño y evaluación de estructuras, el método basado en desplazamientos. Este procedimiento, propuesto inicialmente en [2, 3 y 4], se basa en la estimación del daño a través de las deformaciones en los materiales (concreto y acero de refuerzo) y/o en medidas relacionadas directamente con ellas. De esta forma, el desplazamiento del coronamiento de una pila, la


rotación de la articulación plástica en su base, o directamente la deformación del concreto y del acero de refuerzo, son los parámetros que se utilizan comúnmente para controlar el daño. En este trabajo se propone como índice de daño la rotación o deriva de las pilas según se ilustra en la Fig. 3.

Figura 2. Puentes más recientes, soportados por pilas de una sola columna y con distribución irregular de rigidez, que los hace más vulnerables a acciones

de tipo sísmico

Figura 3- Rotación o deriva (θ) empleada como índice de daño en pilas

De acuerdo con la filosofía del diseño basado en el desempeño, el diseño integral de un puente deberá considerar los siguientes niveles de comportamiento: evitar el derrumbe de la estructura cuando se produzca el máximo sismo que puede presentarse en la zona; ofrecer protección adecuada para los usuarios y propietarios del puente durante la ocurrencia del sismo de diseño y que pueda rehabilitarse sin necesidad de demolerlo; asegurar un comportamiento satisfactorio durante sismos potencialmente menos

θ = x /L L

x F


destructivos, pero que se presentan con mayor frecuencia, con el propósito de evitar daños que den origen a interrupciones del tránsito y pérdidas económicas excesivas; y no experimentar daños bajo condiciones de servicio. Debe entonces asociarse el grado de daño y/o condiciones de servicio de la estructura, con la probabilidad de excedencia del sismo en un periodo de vida útil.

Estados límite El primer estado límite tiene como propósito fundamental mantener las

pilas en condiciones de total operatividad después de la ocurrencia de un sismo de magnitud moderada, de manera que el tránsito de vehículos transcurra sin ningún tipo de restricción. Se considera que los temblores asociados a este nivel de respuesta pueden presentarse varias veces durante la vida útil de la estructura sin que exista la necesidad de reparar las pilas del puente y que sólo se requiera una visita de inspección y mantenimiento de rutina después del sismo. Para cumplir con este objetivo se limita el ancho de las grietas que pueden originarse durante el movimiento, para que se cierren después de finalizada la acción sísmica. De acuerdo con el comportamiento observado en pilas de puentes ensayadas experimentalmente, las deformaciones de la pila deberán ser menores que las correspondientes al límite de fluencia para cumplir con este objetivo.

Si se desprecian posibles efectos de agrietamiento inclinado, las deformaciones por cortante y el deslizamiento de las barras por la pérdida de adherencia, se puede utilizar la siguiente expresión para estimar la rotación de fluencia (θy):

(1)

en la cual, L representa la longitud libre de la pila, xy el desplazamiento lateral del coronamiento de la pila producido por la fuerza lateral Vy que genera la fluencia del elemento. El Grupo de Trabajo 7.2 de la Federación Internacional del Concreto [5], ajustó estadísticamente los valores de θy obtenidos en 1136 ensayos experimentales y llegó a la siguiente expresión:

(2)

H es la distancia desde el extremo del elemento hasta la sección a partir

de la cual se mide la rotación, normalmente H = L, de manera que el primer término del lado derecho de la ecuación es el mismo de 2. El segundo término de la expresión es debido al agrietamiento inclinado y a las deformaciones por cortante que se producen al nivel de la deformación de fluencia del elemento.


La influencia de las deformaciones por cortante y del agrietamiento inclinado no parecen depender de ninguno de los parámetros de los 1136 especímenes de la base de datos utilizada por el Grupo de Trabajo del FIB y puede ser considerada constante e igual a 0.0025. Para relaciones L/H > 6.0, el efecto de las deformaciones por cortante y del agrietamiento inclinado deja de ser significativo, de manera que el segundo término puede eliminarse en éstos casos. Finalmente, el tercer término de la ecuación anterior, se aplica en aquellos casos en que existe un deslizamiento del acero en la sección de momento máximo, por lo que es directamente proporcional a la fuerza de fluencia (π d2

b fy/4), inversamente proporcional a su perímetro (π db) y a la resistencia de adherencia (√fc).

Rotación al inicio del agrietamiento En elementos con relaciones de esbeltez y cuantías de acero transversal

típicas, las primeras grietas que se producen son horizontales, como consecuencia de los esfuerzos de flexión. Por otro lado, la pérdida de adherencia es más importante cuando se producen esfuerzos elevados como resultado de ciclos repetidos de carga y descarga, pero su efecto es menos significativo en el caso de acciones moderadas en las que se esperan esfuerzos reducidos. Por lo tanto, se considera apropiado eliminar los dos últimos términos de la ecuación 2 y se propone que la rotación correspondiente a un estado de agrietamiento incipiente (θ1), previo al desplazamiento que produce la fluencia de la pila, se determine con la ecuación 1.

Con base en los resultados experimentales se considera apropiado para determinar la curvatura correspondiente al estado límite de servicio φser, utilizar los siguientes valores de deformación: εc = 0.0015 y εs = 0.7εsy. Al sustituir los valores anteriores la rotación máxima para el estado límite de servicio θser es [6]:

(3)

Control de daño En este nivel se intenta que las pilas del puente presenten grietas

menores y que en caso de necesitar reparación, el nivel de intervención requerido sea menor. Se pretende que el puente siga en condiciones normales de operación después del sismo y que durante los trabajos de reparación, si son necesarios, las restricciones al flujo vehicular sean reducidas. Los daños deberán presentarse en regiones de fácil acceso para su inspección y posible reparación, y que en caso necesario, la inyección de las grietas sea suficiente para restaurar las condiciones de resistencia y rigidez del elemento. Para cumplir con este objetivo se limita el ancho de grietas a valores entre 1 y 2 mm, antes de que se inicie la pérdida del recubrimiento, aunque es factible que el


acero longitudinal alcance su límite de fluencia. La intensidad del movimiento correspondiente a éste estado límite, pueda presentarse en más de una ocasión durante la vida útil del puente.

Rotación de fluencia Como la curvatura que se produce al inicio de la fluencia del elemento

(φy) puede ser el resultado de dos estados distintos de deformación: el que se produce por fluencia del acero en esfuerzo, y el que se origina por la pérdida ostensible de la linealidad del concreto, deben verificarse ambos estados de deformación. Por lo tanto, se propone que la rotación máxima para el estado límite de control de daño θcd, sea la menor de las que resultan de las dos expresiones siguientes [6]:

(4)

donde cy es la profundidad de la zona de compresión y se puede estimar con:

(5)

si la fluencia de la sección es resultado de la fluencia del acero longitudinal,

(6)

mientras que, si la fluencia de la sección es debida a la pérdida de la linealidad del concreto,

(7)

Protección a usuarios El propósito del tercer nivel de comportamiento es controlar el nivel de

daño que pueda producirse en el caso del sismo de mayor intensidad, que se considera que tiene una probabilidad no despreciable de ocurrir durante la vida útil del puente. Se pretende que la estructura permita el paso de vehículos después del siniestro aunque sea con restricciones. Los daños deberán presentarse en regiones de fácil acceso para su inspección y reparación. No se considera aceptable que se reduzca significativamente la resistencia o rigidez de los elementos estructurales que pongan en riesgo la estabilidad del puente. Los trabajos de reparación consistirán en la inyección de grietas, sustitución del recubrimiento y un posible refuerzo del núcleo de concreto. Para cumplir con


estos objetivos se limita la deformación a la que produce la pérdida del recubrimiento, cuando da inicio la formación de una articulación plástica.

Rotación para la pérdida del recubrimiento

Si se considera que la rotación máxima para el estado límite de protección a usuarios (θpv) es la contribución de la rotación de fluencia θy más cierta rotación plástica adicional θp, necesaria para alcanzar el estado límite de inicio de la pérdida del recubrimiento, entonces la rotación límite es:

(8)

Por lo que respecta a la curvatura límite φpv, su valor se obtiene mediante:

(9)

donde εpv,c es la deformación del concreto correspondiente al estado límite y εpv,s la deformación del acero en la misma sección. εpv,c se determina mediante la relación esfuerzo-deformación de [7] para concreto confinado.

Si se acepta la hipótesis de secciones planas, εpv,s se puede estimar a partir de la siguiente expresión derivada de las hipótesis básicas de la flexión:

(10)

Se deberá comprobar que la deformación en el acero longitudinal no se aproxime a su valor último para no comprometer su resistencia durante la posible repetición de ciclos de carga con demandas próximas al desplazamiento máximo. Además, para evitar deformaciones importantes en el acero, que favorezcan el crecimiento de las grietas y aumenten su distribución, se propone el siguiente límite al valor de εpv,s obtenido mediante la fórmula anterior:

(11)

En caso de que tenga que asignarse a εpv,s el límite superior (0.5 εsu), la

deformación máxima del concreto (εpv,c) deberá determinarse con la siguiente expresión:

(12)


Prevención del colapso

Es también necesario verificar que el puente no está en riesgo de sufrir un derrumbe parcial o total en caso de presentarse el máximo sismo probable en la zona de ubicación del puente. Esta condición es particularmente importante en estructuras que se ubican en regiones de sismicidad moderada, ya que el incremento de la intensidad sísmica respecto a la del estado límite anterior, es proporcionalmente mayor al incremento que se espera en regiones de alta actividad. Con esta condición se intenta que al menos se permita el paso de vehículos de emergencia después de ocurrido el evento máximo creíble. De acuerdo con el nivel de daño permitido en los elementos verticales, la rehabilitación consistirá en la reparación de las grietas, la sustitución de materiales, el refuerzo de las pilas, y en algunos casos, el reemplazo del elemento. Para lograr este objetivo, se admite la pérdida del recubrimiento y el inicio de la formación de un mecanismo de colapso (articulación plástica) con daños moderados en el núcleo confinado de concreto, pero sin llegar a provocar la pérdida de su capacidad de transmitir carga vertical y sin que el acero transversal se fracture o pierda su capacidad de confinamiento al abrirse y perder su anclaje.

La rotación última θu se obtiene al sustituir en la ecuación 8, la curvatura φpv por la curvatura última φu. Para determinar φu debe tenerse en cuenta que el mecanismo de falla en la región de la articulación plástica puede originarse en la fractura del acero longitudinal en tensión, en la fractura del acero transversal, o bien, por la incapacidad del núcleo de concreto de transmitir carga después de la pérdida del recubrimiento. La curvatura última para la condición de que las barras longitudinales en tensión se fracturen antes de que se presente la falla del núcleo de concreto, está determinada por [6]:

(13)

donde ν es la relación entre la carga axial y la resistencia del elemento. Para que se inicie el mecanismo de falla de la articulación plástica en el

concreto, sin que se alcance la deformación máxima del acero pero asegurando la fluencia de las barras en tensión, la curvatura última es [6]:

(14)

Aunque el mecanismo de falla se inicie en el concreto confinado, no se

asegura que la pérdida de capacidad de carga se deba a la falla del núcleo de


concreto, de manera que deberán obtenerse las curvaturas debidas a la fractura de las barras en tensión y la curvatura correspondiente a la falla del núcleo, y la menor de ellas definirá la curvatura máxima del elemento. Para poder determinar la rotación última con las expresiones anteriores es necesario conocer la deformación máxima del concreto, misma que puede estimarse con la expresión siguiente [8]:

(15)

Demanda de desplazamiento La demanda de desplazamiento de las pilas, necesaria para determinar

la rotación de las articulaciones plásticas y para la estimación del nivel de daño, se obtiene mediante el método de capacidad [9]. De acuerdo con este procedimiento, la demanda de desplazamiento se obtiene mediante un proceso iterativo en el espacio de un espectro aceleración – desplazamiento (EAD). El punto de desempeño, que representa la demanda de desplazamiento del sistema en el punto de control de desplazamientos elegido, es la intersección entre la demanda, representada por el EAD, y la capacidad, definida mediante la curva de capacidad. La curva de capacidad se determina mediante un análisis estático no lineal, mediante un nodo de control del desplazamiento (Fig. 4). Cuando se forman las articulaciones plásticas en los elementos, se requieren las curvas momento – rotación de la sección, para lo cual es necesario contar previamente con las propiedades de los materiales y con la cantidad y distribución del acero longitudinal y transversal. En el caso de puentes existentes, si no se cuenta con esta información, se recomienda realizar el diseño con base en el código vigente del año en que se realizó el proyecto, o bien, considerar la práctica de diseño propia de la época en puentes similares y diseñar el armado con esos criterios. Las curvas momento – rotación deberán considerar la posibilidad de una falla prematura originada por la fuerza cortante o por el efecto de traslapes en la zona de la articulación plástica [10]. En el caso de puentes nuevos las propiedades de las articulaciones plásticas podrán determinarse con base en las recomendaciones de [9 y 11], que corresponden a elementos construidos de acuerdo con la práctica actual de diseño.

Técnicas de rehabilitación

Cuando se intenta mejorar la respuesta de un puente sometido a acciones de tipo sísmico el diseño tradicional se orienta básicamente a la consecución de tres objetivos fundamentales: (a) al incremento de resistencia y rigidez de los elementos, (b) a la inhibición de fallas de tipo frágil y (c) al incremento de la capacidad de disipar energía en las zonas de formación de articulaciones plásticas. Las principales estrategias que se han aplicado pueden agruparse en los tres casos que se describen a continuación:


a) Incremento de la ductilidad y la resistencia. La opción más utilizada

se concentra en incrementar la resistencia de los elementos de la estructura para soportar los elementos mecánicos producidos por el sismo, así como en mejorar los detalles de diseño para lograr una mayor capacidad para disipar energía en las zonas potenciales de formación de articulaciones plásticas.

Figura 4 Modelo del puente y nudo de control de los desplazamientos

b) Cambios en la configuración estructural. Otra alternativa utilizada

ampliamente consiste en modificar la estructura original para incrementar la capacidad, modificar la rigidez del sistema, o una combinación de ambas. La adición de muros, contravientos o elementos horizontales entre las columnas que forman una pila, son usados con frecuencia con el propósito de adicionar resistencia y rigidez transversal al puente. El uso de presfuerzo externo en las pilas es otra alternativa que se ha utilizado en los últimos años. En estructuras existentes se encamisan los elementos o se confinan mediante materiales compuestos de fibra de carbono, fibra de vidrio o aramidas.

c) El criterio en el que se basa esta estrategia de control se orienta a la reducción de la demanda sísmica en la estructura, más que en tratar de incrementar su capacidad resistente o de deformación. La adecuada aplicación de este criterio conduce a sistemas que se comportan en forma elástica durante grandes sismos, contrariamente al diseño tradicional, en el que se pretende mejorar la capacidad de disipar energía de la estructura mediante la aceptación de daño en los elementos que la forman.

En la figura 5 (a), se ilustra el efecto de un sismo importante en una estructura típica de un puente, donde las grandes deformaciones generan agrietamientos importantes en las pilas, a las que se les exige una gran

Nudo de control del puente


ductilidad para lograr disipar la energía del temblor sin que la estructura se derrumbe. En la figura 5 (b), se presenta el caso de un puente con un sistema de control consistente, por ejemplo, en apoyos de hule de alto amortiguamiento, con los que se logra reducir las fuerzas de inercia en las pilas. La disipación de energía inelástica que se demanda en un sismo extremo, se realiza por medio de la deformación histerética de los apoyos, en lugar de hacerlo a través del daño en las pilas del puente.

(a) Puente convencional (b) Puente con aisladores

Figura 5. Disipación de energía en un puente convencional y en un puente con

aislamiento sísmico

El aislamiento sísmico consiste fundamentalmente en apoyar la estructura sobre una base suficientemente flexible, que filtra las frecuencias altas del movimiento y alarga el periodo natural de vibración de la estructura. Si además, el aislador está equipado con un disipador de energía, como en el caso de los apoyos laminados con un elemento de plomo insertado en el centro (LRB), la mayor parte de la energía se disipa en el elemento aislador-disipador, en vez de hacerlo a través del daño estructural de los elementos que constituyen la estructura, lo que incrementa la eficiencia del sistema.

Incremento de ductilidad y resistencia Existen diversas técnicas para la rehabilitación de pilas de puentes de

concreto reforzado. Las principales técnicas son: el encamisado con placas metálicas, encamisado con concreto, encamisado con materiales compuestos, construcción de muros de relleno entre columnas; uso de presufuerzo externo y construcción de columnas adicionales. La técnica más empleada es el encamisado de las pilas, y dentro de esta alternativa, el encamisado con elementos metálicos es la de mayor uso, aunque el encamisado con fibras de carbono y de vidrio están siendo adoptadas cada vez con mayor frecuencia, en especial en casos en que no se requiere un incremento significativo de resistencia. Se describen a continuación las técnicas de encamisado más usuales.


Encamisado metálico Consiste en cubrir la sección de la pila mediante placas metálicas

conectadas directamente al elemento existente por medio de pernos, anclas o resinas epóxicas (Fig. 6). Se acostumbra también rodear previamente la columna con una camisa de concreto y las placas metálicas se conectan directamente a la camisa nueva de concreto. La longitud de la camisa depende del tipo de refuerzo requerido, por ejemplo si se intenta dar confinamiento o prevenir una falla por tralsape de varillas, la longitud de la camisa se limita a la zona en la que se pretende mejorar dichas características, en cambio, para columnas con deficiencia en su capacidad por cortante, el encamisado se propone en la longitud total del elemento.

Figura 6 Encamisado metálico (adaptada de: Chen and Duan [12]).

De acuerdo con [13], la resistencia de la camisa metálica se determina

con:

Vsj = Vu / ϕ - (Vc + Vsh + Vp) (16)

donde Vsj es la resistencia a cortante de la camisa metálica, Vu es la capacidad última teniendo en cuenta la sobrerresistencia del elemento, Vc ers la contribución del conrteo a la resistencia, Vsh es la contribución del refuerzo transversal y Vp la contribución a la resistencia de la carga axial. Una vez definida la resistencia necesaria de la camisa, el espesor de las placas (t) en la dirección fuerte y débil de la pila se obtienen respectivamente con:

Para confinamiento y traslape, encamisado

parcial

Para columnas con deficiencia por

cortante, encamisado total

Anclaje para mejorar resistencia a flexión


t = Vsj / (2fyj (Dj) cotθ (1 – (1-0.25π) (Bj / Dj )) (17)

t = Vsj / (2fyj (Dj) cotθ (1 – (1-0.25π) (Dj / Bj )) (18)

Encamisado con materiales compuestos El uso de materiales compuestos (Fig. 7), especialmente de fibra de

carbono, tiene cada vez una mayor aceptación debido fundamentalmente a la facilidad y rapidez constructiva, su baja invasibilidad, su comportamiento elástico y su capacidad para incrementar la ductilidad y resistencia de elementos de manera simple. En caso de que el elemento por reforzar sea deficiente por cortante o flexión, las fibras o platinas se orientan horizontalmente. Si se pretende cubrir la deficiencia por traslapes en la zona de articulación plástica, las fibras se orientan en dirección vertical. En ocasiones se emplean fibras en ambas direcciones. Es importante recordar que la orientación de las fibras es muy importante para mantener las propiedades del material, ya que si los esfuerzos ocurren en dirección no paralela a las fibras, la rigidez y la resistencia decaén drásticamente.

Figura 7 Encamisado con fibra de carbono o fibra de vidrio (adaptada de: Chen and Duan [12]).

Se acepta una conversión de fibra de carbono en una cantidad

equivalente de acero de refurzo con fines de estimar la cantidad de fibra necesaria, si se emplea la relación siguiente [14],

ρf σcf νcf = ρw σwy (19)

Donde: ρf = porcentaje de fibra σcf = resistencia a tensión de la fibra de carbono νcf = factor de resistenciaefectiva de la fibra (2/3)

Incremento de la resistencia cortante

Incremento de la ductilidad


ρw = cuantía de refuerzo transversal σwy = resistencia de fluencia del acero transversal

Aisladores de base y disipadores de energía

La mayor parte de los aisladores de base que se emplean en la actualidad incorporan los apoyos laminados elastoméricos, en los que se recomienda que el elastómero sea de hule natural; la otra gran variante la constituyen los apoyos deslizantes, en los que la superficie de deslizamiento es en muchos casos de teflón y acero inoxidable.

Un sistema de aislamiento debe proporcionar flexibilidad horizontal, una

fuerza de recuperación, capacidad de carga vertical y disipación de energía. En el caso mas sencillo, este sistema de aislamiento tiene una rigidez lineal y un amortiguamiento lineal; en otros casos la respuesta del dispositivo es no lineal, pero puede representarse razonablemente bien como un modelo bi - lineal con lo que se simplifica su tratamiento práctico. También existen dispositivos no lineales que requieren modelos más complejos para poderlos representar adecuadamente.

Objetivos de un sistema de aislamiento

Un sistema de aislamiento se diseña para cumplir con uno o más de los siguientes objetivos:

a) Modificar los periodos de vibrar para alejar a la estructura de la zona

que produce mayores demandas en el sistema b) Incrementar la capacidad de disipar energía para reducir los

desplazamientos magnificados por el efecto de flexibilización del sistema

c) Distribuir mejor la fuerza entre los elementos verticales para evitar la concentración de demandas de ductilidad sobre algunos elementos particulares

d) Mejorar el comportamiento de puentes continuos y lograr una respuesta uniforme del tablero, o bien, igualar los momentos en las pilas

e) Concentrar el daño en los dispositivos de aislamiento para evitar el daño en los elementos de la estructura

f) El sistema debe proporcionar la rigidez inicial suficiente para cargas de servicio y tener la capacidad de auto centrado

Condiciones que favorecen el uso de aisladores Debe tenerse presente que los aisladores de base no constituyen una

solución efectiva en todos los casos. Su uso puede inclusive resultar contraproducente en ciertas circunstancias. Las condiciones que favorecen el uso de estos sistemas pueden resumirse en los tres casos siguientes:


En aquellas regiones en las que se esperan movimientos del terreno con

frecuencias dominantes altas, como las que producen espectros de respuesta semejantes al de la parte izquierda de la figura 8. Por el contrario, debe tenerse en cuenta que el incremento artificial del periodo de la estructura que se logra cuando se emplea aislamiento de base puede ser un inconveniente si la energía del sismo se concentra en la región de periodos altos. Una alternativa inmediata para estos casos, es el incremento del periodo de la estructura hasta 3 o 4 segundos, aumentando la flexibilidad de la base, sin embargo, esto favorece la aparición de grandes desplazamientos que seguramente serian inaceptables. Otra situación en la que puede resultar impráctico el uso de los aisladores de base, es en el caso de estructuras ubicadas cerca de fallas potenciales, donde los registros instrumentales muestran la existencia de pulsos de velocidades muy grandes, y pocas oscilaciones, que reducen la capacidad de disipar la energía histerética.

Los puentes con una distribución irregular de la rigidez lateral de las

pilas, tienden a concentrar las demandas de ductilidad en las pilas de mayor rigidez. Existe un número importante de puentes que han experimentado daño sísmico como consecuencia de una distribución irregular de la rigidez. Los aisladores de base pueden diseñare de tal manera que la flexibilidad del sistema pila-aislador de todos los apoyos sea más uniforme y se eviten las concentraciones de demanda de ductilidad en algunos elementos.

Figura 8 Espectros de respuesta para sismos con diferentes contenidos de

frecuencias

Los puentes que más beneficios obtienen de un sistema de flexibilización son los puentes con pilas bajas y periodos dominantes cortos. Un puente con pilas muy esbeltas está aislado de forma natural pues su periodo de vibrar es elevado y seguramente alejado de la zona del espectro que produce mayores demandas. En este último caso el sistema de aislamiento modificará levemente el periodo del puente y los beneficios que se obtienen al incorporarlo al sistema son limitados. Lo que si puede lograrse en un puente con pilas esbeltas es regularizar la rigidez del subsistema pila-aislador si existe

Estudio de casos Se presentan algunos resultados del uso de aisladores en dos puentes

ubicados en la zona de máxima sismicidad de la República Mexicana en los que se muestran los beneficios que pueden lograrse con un sistema de


aislamiento apropiado. Para el análisis se utilizaron aisladores de base histeréticos con comportamiento bilineal. En ambos casos se emplearon las historias de aceleración registradas que se muestran en las figuras 9 a 10.

Figura 9. Registro de aceleración y espectro de respuesta del temblor de

septiembre de 1985, registrado en la estación La Unión (Ms=8.1)

Figura 10. Registro de aceleración y espectro de respuesta del temblor de

octubre de 1995, registrado en la estación Manzanillo (Ms=7.5)

Puente Motín de Oro El puente Motín de Oro (Fig. 11) consta de cuatro claros continuos con

una longitud total de 110 metros. La superestructura es una sección cajón y las pilas son tipo muro de concreto reforzado con una altura en todas las pilas de 4 metros aproximadamente. En la Fig. 12 se presentan las historias de desplazamiento de la parte superior de la pila 2 para el puente con y sin aisladores. La reducción en el desplazamiento de la pila del puente aislado es muy alta y la reducción de las frecuencias de oscilación del puente aislado es muy evidente. En la Fig. 13 se observa la reducción de la fuerza cortante en la misma pila del puente. La reducción es casi de 4 veces.

Puente Las Flores El puente Las Flores (Fig. 14) consta de siete claros con una longitud

total de 231 metros. La superestructura consiste en una losa soportada sobre una armadura tridimensional. Las pilas son de sección rectangular de concreto reforzado con altura variable. En las Figs. 15 y 16 se observan las historias de desplazamiento y fuerza cortante de la pila 4 para el puente con y sin aisladores. La reducción en desplazamientos y fuerzas es del orden de seis veces.


Figura 11. Puente Motín de Oro

Figura 12. Desplazamientos de la pila 2 (registro de Manzanillo) con aisladores

Δmáx = 0.8 cm (izquierda) y sin aisladores Δmáx = 1.4 cm (derecha)

Figura 13. Fuerzas cortantes en la pila 2 (registro de Manzanillo) con aisladores

Vmáx = 110 t (izquierda) y sin aisladores Vmáx = 400 t (derecha) Los ciclos histeréticos de los aisladores de base se presentan en la

figura 18 para los registros de las estaciones Manzanillo y La Unión. Se observa que los aisladores incursionaron un gran número de veces al intervalo inelástico y que contribuyeron en forma importante a la disipación histerética de energía. Los ciclos histeréticos son estables y se aproximan razonablemente a un ciclo bilineal.


Figura 14. Puente Las Flores

Figura 15. Desplazamientos de la pila 4 (registro La Unión) con aisladores Δmáx = 0.8 cm (izquierda) y sin aisladores Δmáx = 5.5 cm (derecha)

Figura 16. Fuerzas cortantes en la pila 2 (registro de Manzanillo) con aisladores

Vmáx = 50 t (izquierda) y sin aisladores Vmáx = 295 t (derecha)

Conclusiones Se presenta un procedimiento para estimar el daño en pilas de puentes

de concreto con base en un criterio de desplazamientos. Se emplea la rotación en las articulaciones plásticas como indicador del comportamiento global de las pilas apoyados en la evidencia experimental y analítica disponible. Se


proponen niveles de rotación para los estados límite de servicio, control de daño, protección a usuarios y prevención del colapso.

Figura 17. Ciclos histeréticos de los aisladores obtenidos con los registros de las estaciones Manzanillo y La Unión

Se describen las princiáles técnicas de rehabilitación de pilas, en

particular el encamisado metálico y el encamisado con fibra de carbono. Dichas técnicas son la que cuentan con mayor aceptación debido a su facilidad constructiva y a la eficiencia que se logra al reforzar pilas de concreto con ellas.

Se analizan las ventajas y desventajas del uso de aisladores de base en

puentes ubicados en zonas sísmicas. Se describen las principales características y principios básicos de diseño de los aisladores de base equipados con sistemas de disipación de energía y se comentan las principales condiciones que favorecen la aplicación de estos sistemas para la protección sísmica de puentes. Se muestran algunas ventajas y aplicaciones a través de dos casos de estudio de puentes reales sometidos a historias de aceleración registradas durante sismos de gran magnitud. Se pretende que el presente documento sirva como referencia para la selección y aplicación de aisladores de base cuando se busca mejorar el comportamiento sísmico y proporcionar la protección adecuada en puentes nuevos, así como para la rehabilitación de puentes existentes.

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