PUENTE RIO CLARO Y VIADUCTO LAS CRUCES: … · 2014-05-19 · 3.1 Parámetros para calculo aisladores sísmicos ... “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications”. ... por ejemplo,

VI Congreso Anual de Ingeniería Estructural – Proyectando la Experiencia Chilena Chiloé, Noviembre 2013

PUENTE RIO CLARO Y VIADUCTO LAS CRUCES: SOLUCIÓN CON AISLADORES

SÍSMICOS CON NUCLEO DE PLOMO

Presentador:José Luis Seguel


1. Introducción

1.1 Experiencia Puentes en Chile

1.2 Experiencia Chilena Aislación sísmica Puentes

1.3 Normativa de Diseño

1.4 Definición y tipos de aislación sísmica

2. Casos de Estudio

2.1 Puente Río Claro Poniente

2.2 Viaducto Las Cruces

2.3 Estudios de Riesgo Sísmico

2.4 Datos Diseño Aislación Sísmica

3. Modelación y resultados

3.1 Parámetros para calculo aisladores sísmicos

3.2 Iteración para diseño de aislador

3.3 Modelación SAP2000

4. Ensayo Aisladores

4.1 Requisitos laboratorios e inspección de ensayos

4.2 Ensayos Prototipos

4.3 Ensayos Verificación Calidad

4.4 Informe de resultados y aprobación

5. Detalles Constructivos

5.1 Muro Estribos

5.2 Juntas de dilatación

5.3 Baranda en zona de junta de dilatación

6. Comentarios y Conclusiones


1.1.1 Puentes Chilenos

1.1 EXPERIENCIA DE PUENTES EN CHILE

a. Vigas pretensadas simplemente apoyadas:

‐ Tipología más utilizada en nuestro país.‐ En general, tramos entre 15.0 m y 45.0 m.‐ Facilidad constructiva.‐ Tiene como desventaja el peso de las vigasy , por lo tanto, del tablero.

‐ Uso de placas de neoprenos.

PI Nantoco, Ruta 5, tramo Vallenar‐CalderaPuente Peor es Nada, Ruta 5, tramoSantiago‐Talca


1.1.1 Puentes Chilenos

1.1 EXPERIENCIA DE PUENTES EN CHILE

b. Vigas de acero simplemente apoyadas:

‐ Mayor longitud de vano, en general,hasta 60.0 m (tramos s.a, tramoscontinuos).

‐ Menor peso del tablero por menor pesode vigas.

‐ Tiene como desventaja la mantención delas vigas y el precio fluctuante del aceroen el mercado.

‐ Uso de placas de neoprenos.

Puente Longaví, Ruta 5, tramo Santiago‐TalcaPuente Peuco, Ruta 5, tramo Santiago‐Talca


1.2 EXPERIENCIA CHILENA AISLACION SISMICA EN PUENTES

‐ En Chile existe muy poca experiencia en Puentes con Aislación Sísmica, y en general, ensistemas de protección sísmica incluida disipación de energía.

‐ Ejemplos son: Viaducto El Salto del Troncal Sur, V región; Viaducto Marga Marga del TroncalSur, V región; Viaducto Amolanas de la Ruta 5 Tramo Santiago – La Serena, IV región.

‐ Hasta la construcción del Puente Río Claro Poniente, no se tenía experiencia en AislaciónSísmica de Puente con Aisladores de Goma Natural con Núcleo de Plomo.



Viaducto El Salto, Troncal Sur, V región



Viaducto Marga Marga, Troncal Sur, V región



Viaducto Amolanas, Ruta 5, IV región


“Standard Specifications for Highway Bridges”. American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO. 17a Edición. 2002.

“AASHTO LRFD Bridge Design Specifications”. Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO. 4ta Edición 2004.

“Guide Specifications for Seismic Isolation Design”. American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO 3ra Edición, 2010.

“Manual de Carreteras Volumen 3. Instrucciones y Criterios de Diseño”. Capitulo 3.1000 Puentes y Estructuras Afines. Ministerio de Obras Publicas, Chile. Edición 2013.

1.3 NORMATIVA


1.4.1 Definición

1.4 DEFINICION Y TIPOS DE AISLACION SÍSMICA

Fuente: DIS, Dynamic Isolation Systems


1.4.2 Tipos mas comunes


‐ Aislamiento sísmico con apoyos elastoméricos de bajo y alto amortiguamiento, LDRB y HDRB,amortiguamiento del orden del 10%

‐ Aislamiento sísmico con apoyos elastoméricos de alto amortiguamiento con núcleo deplomo, LRB, amortiguamiento del orden del 20% .

‐ Aislamiento sísmico con apoyos elastoméricos de alto amortiguamiento, (HDRB) yamortiguadores viscosos, amortiguamiento del orden del 30% .

‐ Otros dispositivos (pot, apoyos pendulares, etc).



1.4.2 Tipos más comunes



Fuente: Alga.it

1.4.2 Tipos más comunes



‐ Concesión Ruta 5 tramo Santiago‐Talca, Concesión Autopista del Maipo, Dm. 216.886, VII Región.

2.1 PUENTE RÍO CLARO PONIENTE ‐ 2011


‐ Longitud: 124.50 m, en 3 tramos.


‐ Ancho Tablero 14.76 m.

‐ Altura de Cepas, 21.50 m aprox.(Loseta de Continuidad sobre cepas)


‐ Vigas Pretensadas simplemente apoyadas de 2.25 m de altura, separadas a eje a 3.00 m.

‐ Suelo Tipo II en Zona Sísmica 3 (Manual de Carreteras MOP).

‐ Socavación Total Considerada 4.36 m aprox. (100% de la socavación según PSS Manualde Carreteras Vol. 3)



Situación de Proyecto:

‐ Puente antiguo, albañilería, 1888 Puente emblemático e histórico.

‐ Puente colapsa para el Sismo del 27 de Febrero de 2010, cortándose la Ruta 5 yperdiendo conectividad hacia el sur.

‐ MOP indica requerimiento de aumentar el Factor de Seguridad de la Estructuraante eventos sísmicos de gran magnitud.

‐ Emplazado en Zona Sísmica 3 y con Tipo Suelo II (Discusión por Zona Sísmica).

‐ Modificación ancho de tablero (aumento de ancho de 2 a 3 pistas).





‐ Concesión Ruta 160, Tramo Coronel – Tres Pinos, Dm. 44.335, VIII Región.

2.2 VIADUCTO LAS CRUCES ‐ 2013


‐ Longitud: 139.40 m, en 4 tramos.

‐ Ancho Tablero 21.70 m.

‐ Altura de Cepas, 16.00 m aprox.(Loseta de continuidad en Cepas).



‐ Vigas Pretensadas simplemente apoyadas de 1.86 m y 2.50 m de altura, separadas a eje a 3.63 m.

‐ Suelo Tipo IV en Zona Sísmica 3.

‐ Socavación Total Considerada 3.00 m aprox. (100% de la socavación según PSS Manualde Carreteras Vol. 3)



Situación de Proyecto:

‐ Puente con cepas de altura mayor (aprox. 16.00 m).

‐ Emplazado en Zona Sísmica 3 y con Tipo Suelo IV (incluso con algunos estratos licuables).

‐ En análisis sin aislación sísmica, los esfuerzos sobre columnas y pilotes superaban largamentelos rango admisibles.

‐ Se disminuyen considerablemente los esfuerzos en los elementos con la implementación deAislación Sísmica.

‐ Desplazamientos longitudinales totales de aprox. 60 cm (sin sistema de aislación sísmica).





2.3 ESTUDIOS DE RIESGO SISMICO

‐ Exigencia del MOP para diseño de proyectos con sistema de Aislación Sísmica.

‐ Estudio del sitio específico de emplazamiento de la estructura (distintos niveles deestudio).

‐ Se debe considerar en el tiempo de desarrollo del proyecto estructural, la elaboraciónde este informe (en general 1 mes), partiendo desde la ingeniería básica acabada(topografía, mecánica de suelos, etc.) y un anteproyecto del puente.

‐ El resultado de este informe será el espectro de diseño específico para el Puente.




Espectro Diseño, amortiguamiento = 5%, segúnestudio de riesgo sísmico



Puente Rio Claro Poniente

0,000,100,200,300,400,500,600,700,800,901,001,101,201,301,40

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

Sa/g

Tm (seg)

ESPECTRO DE DISEÑO SISMICO

ESPECTRO DE DISEÑO

ESTUDIO RIESGO SISMICO 5%

MCV3



0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

Sa/g

Tm (seg)

ESPECTRO DE DISEÑO SISMICO

ESPECTRO DISEÑO

ESTUDIO RIESGO SISMICO

MCV3

Coeficiente de amortiguamiento para periodosmayores a 0.8xTeff (Guide Specification for SeismicIsolation Design)


Viaducto Las Cruces


2.4 DATOS DISEÑO AISLACION SISMICA

2.4.1 Puente Río Claro Poniente

‐ T eff = 2.10 seg.

‐ K eff = 130 ton/m

‐ Amortiguamiento mínimo de = 10 %.

‐ Carga Axial :‐ Peso Propio + SC Permanente (D) = 89.20 Ton‐ Carga Viva (LL) = 35.94 Ton‐ Adicional por Volcamiento (OT) = 0.00 Ton

‐ Desplazamientos máximos:‐ Por Temperatura: 3.6 cm‐ Por Viento + Frenado: 2.0 cm‐ TDD = 6.0 cm


2.4.2 Viaducto Las Cruces

‐ T eff = 2.40 seg

‐ K eff = 149 ton/m

‐ Amortiguamiento mínimo de = 20 %.

‐ Carga Axial :‐ Peso Propio + SC Permanente (D) = 76.2 Ton‐ Carga Viva (LL) = 41.08 Ton‐ Adicional por Volcamiento (OT) = 0.00 Ton

‐ Desplazamientos máximos:‐ Por Temperatura: 5.0 cm‐ Por Viento + Frenado: 2.5 cm‐ TDD = 32.70 cm

2.4 DATOS DISEÑO AISLACION SISMICA


3.1 PARAMETROS PARA CALCULO AISLADORES SISMICOS

Según Proveedor, entre 0.38 MPa y 0.70 MPa

Según proveedor, valor normal 8.6 MPa

Las propiedadesgeométricas puedenvariar según losrequerimientos decada proyecto enparticular.

PUENTE RIO CLAROG= 0.50 MPaVIADUCTO LAS CRUCESG= 0.45 a 0.55 MPa

1. PROPIEDADES

Modulo de Corte (G)Modulo de Corte (Gc)Esfuerzo fluencia de la Goma Natural ( y)

2. DIMENSIONES

Diámetro Aislador (D)Número de "layers" de gomas (N)Diámetro Núcleo Plomo (Dp)Espesor placas de acero (ts)Espesor goma natural entre placas de acero (ti)Recubrimiento lateral de Goma Natural (cs)Espesor Placa Montaje (tp)Espesor placa interior (tip)

Modulo de Corte Núcleo de plomo (Gp) Según Proveedor, valor normal 150 MPa


3.1 PARAMETROS PARA CALCULO AISLADORES SISMICOS3. CONDICIONES DE DISEÑO

Desplazamiento Longitudinal (U1) (SAP2000 para comb long)Desplazamiento Transversal (U2) (SAP2000 para comb long)Desplazamiento Total de diseño (dD)

Las condiciones de diseño se extraen del modelo de cálculo (SAP2000 uotro software). El proceso es iterativo, tal como se comenta acontinuación. Fuente: Guide Specification for Seismic

Isolation Desgin, 3rd Edition


3.2 ITERACION PARA DISEÑO DE AISLADOR1° Definir un amortiguamiento objetivo, en general entre un10% y un 25% para aisladores de goma natural con núcleo deplomo.

2° Estimar el valor de K eff (rigidez horizontal efectiva), según,por ejemplo, indicaciones de los distintos proveedores.

3° Determinar con el modelo de cálculo los desplazamientosmáximos del aislador para este K eff (Obtención de condicionesde diseño).

4° Determinar dimensiones del aislador, en función de losespacios para disponer el elemento y el cumplimiento decondiciones de diseño según la normativa.

5° Verificar el cumplimiento del valor de amortiguamientoobjetivo. Si se cumple el diseño se valida, si no se cumplese volverá al paso 2 con un nuevo K eff.



3.2 ITERACION PARA DISEÑO DE AISLADOR


3.3 MODELACION SAP2000

3.3.1 Elemento Link Support

Se define un modelo tridimensionalen SAP2000, en general, seprivilegian los elementos framesobre los elementos shell.

Los elementos de apoyo, es decir, enla interface entre la super einfraestructura se modelan conelementos link support, con laopción de Rubber Isolator queentrega el software, y que permitedefinir un elemento con un Kverticaly un Keff horizontal.



3.3.2 Modelo



3.3.2 Modelo



3.3.3 Comparación resultados con y sin Aislación Sísmica Puente Río Claro Poniente

SIN AISLACION CON AISLACION

T eff (seg) 1.55 2.10

K placa apoyo (T/m) 752 130

Amortiguamiento 5% 10%

D máx. (cm) * 11.0 9.0 (‐19%)

M máx en Col. Cepa (T‐m) 976.42 825.23 (‐15%)

* Superior en columnas de cepa



3.3.4 Comparación resultados con y sin Aislación Sísmica Viaducto Las Cruces

SIN AISLACION CON AISLACION

T eff (seg) 1.80 2.40

K placa apoyo (T/m) 585 149

Amortiguamiento 5% 20%

D máx. (cm) * 25.4 15.8 (‐38%)

M máx en Col. Cepa (T‐m) 4400 2754 (‐37%)

* Superior en columnas de cepa


‐ El ensayo de los prototipos y los ensayos de verificación de calidad deberán realizarse en unlaboratorio debidamente reconocido y certificado internacionalmente, mediante la instrumentaciónrequerida, con piezas de adaptación si corresponde, sin limitaciones físicas para el tamaño de losaisladores ensayados y con la instrumentación dotada con una capacidad de carga acorde a lassolicitaciones detalladas anteriormente.

‐ El laboratorio deberá ser capaz de demostrar experiencia internacional en el ensayo de aisladoresde similares características.

‐ Los ensayos de los prototipos y de verificación de calidad de los aisladores deberán contar con lapresencia en el mismo laboratorio de personal designado por el MOP, que actuará como ministro defe de la correcta realización de los mismos, además de seguir el protocolo de ensayos elaborado porel proyectista y aprobado por el MOP.

4.1 REQUISITOS LABORATORIOS E INSPECCION DE ENSAYOS

Laboratorio Ensayo Aisladores,DIS, RENO, EEUU.


‐ Se ensayarán como mínimo 2 prototipos, con los datos proporcionados por el Ingeniero Estructural.(cargas y desplazamientos según Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3thEdition).

‐ Los prototipos ensayados deberán ser de tamaño real, sin escalar, y deben ser ensayados de apares. Los prototipos no se llevarán a la rotura.

‐ Estos prototipos no podrán ser utilizados en el proyecto del puente carretero.

4.2 ENSAYOS PROTOTIPOS

Prototipo 1, Puente Río Claro Poniente Prototipo 2, Puente Río Claro Poniente


4.2 ENSAYOS PROTOTIPOS

4.2.1 Desplazamiento lateral por Temperatura (Ref. 13.2.2.1 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.2.2 Desplazamiento lateral por Viento y Frenado. Previo a ensayo sísmico.(Ref. 13.2.2.2 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.2.3 Comportamiento sísmico(Ref. 13.2.2.3 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.2.4 Desplazamiento lateral por Viento y Frenado. Posterior a ensayo sísmico.(Ref. 13.2.2.4 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.2.5 Verificación Comportamiento Sísmico(Ref. 13.2.2.5 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.5.6 Estabilidad(Ref. 13.2.2.6 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)


Prototipo 1 Prototipo 2

Ensayo

Resultado Ensayos



4.3 ENSAYOS VERIFICACION CALIDAD

‐ Se ensayarán todos los aisladores sísmicos que se utilizarán en el proyecto.

‐ El ensayo es para asegurar la calidad de cada uno de estos elementos.


4.3 ENSAYO VERIFICACION CALIDAD

4.3.1 Verificación Compresión(Ref. 15.2.1 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.3.2 Verificación Compresión y Corte simultáneos(Ref. 15.2.2 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

4.3.3 Inspección Visual. Criterios de Aceptación(Ref. 15.2.3 Guide Specifications for Seismic Isolation Design, AASHTO, 3th Edition)

a) Problemas de adherencia entre goma natural y placa de acero.b) Falla en la ubicación de las láminas.c) Grietas superficiales de ancho o profundidad mayor a 2/3 del espesor de recubrimiento.d) Deformaciones permanentes.


4.4 INFORME DE RESULTADOS Y APROBACION

‐ Finalizados los ensayos, el laboratorio deberá emitir un informe con todos los resultados obtenidosadjuntando videos y fotografías de los mismos, verificando las propiedades supuestas en el diseño,el cual deberá contar con la aprobación del Ingeniero Estructural del proyecto y del Departamentode Estructuras del MOP. Chile.


5.1 MURO ESTRIBO

Reducción de peso

Aumento espesor Muro Frontal

Aumento espesor Muro Espaldar

Junta de Dilatación Modular

EstriboViga + Travesaño

Estribo Fundación Directa


‐ El cálculo de la Junta de dilatación viene dado por la máxima deformación lateral del AisladorSísmico.

‐ Puede incidir de manera importante en el costo final del Puente Carretero.

‐ En los dos casos de estudio, para la elección de la Junta de Dilatación, se optó por una Junta deDilatación Modular que permite un rango de movimiento aceptable en el sentido transversal de laestructura. En ambos casos, fue este último el que controló el diseño.

5.2 JUNTAS DE DILATACION

Junta de Dilatación DS240, RíoClaro Poniente


‐ Puente Río Claro Poniente

‐ Junta Maurer DS240

d longitudinal = +/‐ 240 mmd transversal = +/‐ 120 mm


‐ Viaducto las Cruces

‐ Junta Maurer DS640 ó Techstar LG8 fmin

d longitudinal = +/‐ 640 mmd transversal = +/‐ 320 mm



Juntas de Dilatación Modulares Maurer



Juntas de Dilatación Modulares Maurer



Juntas de Dilatación Techstar



Juntas de Dilatación Techstar


5.3 BARANDA EN ZONA DE JUNTA DE DILATACION

Apoyo Fijo Apoyo Móvil

Plancha Acero

Junta debe permitir movimientotransversal y longitudinal.


‐ En el último tiempo, las estructuras viales con aislación sísmica en Chile se han constituido en unabuena alternativa para el diseño de puentes carreteros (reducción costos, conocimiento técnico,seguridad estructural adicional).

‐ Cada vez existen más proyectos concebidos para utilizar algún sistema de aislación sísmica.

‐ Las estructuras son más flexibles con aislación y pueden soportar sismos de gran intensidad.

‐ La comunidad de ingeniería (mandantes, proyectistas, proveedores, revisores) están mejorcapacitados técnicamente para abordar este tipo de proyectos.

‐ Existen varios proveedores en el mercado chileno (nacionales e internacionales) para los aisladoressísmicos, lo que lo convierte en un mercado competitivo.

‐ Los ensayos de los aisladores están definidos por normas, elaborándose un protocolo de ensayos,por parte del proyectista estructural.


PUENTE RIO CLARO Y VIADUCTO LAS CRUCES: SOLUCIÓN CON AISLADORES

SÍSMICOS CON NUCLEO DE PLOMO

Fin presentación.

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