SISTEMA DE AISLACION SISMICA PARA EL VIADUCTO … · 2017-03-16 · 3.1 Parámetros para calculo aisladores sísmicos ... “AASHTO LRFD Bridge Design Specifications”. ... 2° Estimar

III Muestra de Ingeniería Estructural Santiago, Junio 2014

SISTEMA DE AISLACION SISMICA PARA EL

VIADUCTO LAS CRUCES, RUTA 160

Presentador:Ing. Claudio Morales Quiroga


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. Caso de Estudio

2.1 Viaducto Las Cruces

2.2 Estudios de Riesgo Sísmico

2.3 Espectro de Diseño

2.4 Datos Diseño Aislador Sísmico

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 Fabricación Aisladores

4.2 Requisitos Ensayos Aisladores

4.3 Ensayos Prototipos

4.4 Ensayo Verificación Calidad

4.5 Ensayo Complementarios

4.6 Informe de Resultados y Aprobación

4.7 Protocolo Ensayos

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

Vigas simplemente apoyadas:

- Tipología más utilizada en nuestro país.

- Vigas de Hormigón o Acero.

- En general, tramos entre 15.0 m y 45.0 m.

- Facilidad constructiva.

- Uso de placas de neoprenos.

Puente Peor es Nada, Ruta 5, tramoSantiago-TalcaPuente Maule, Ruta 5, tramo Talca-ChillánPuente 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


- Longitud: 124.50 m, en 3 tramos.

- Ancho Tablero 14.76 m.

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


Puente Río Claro Poniente, Ruta 5, VII región


- Viaducto Las Cruces, Ruta 160

- Puente Fiscal, Ruta 5 La Serena-Vallenar

- Puente Juan Soldado, Ruta 5 La Serena-Vallenar


Proyectos en Ejecución


“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

1.4 DEFINICION Y TIPOS DE AISLACION SÍSMICA

- Aislación sísmica con apoyos elastoméricos de bajo y alto amortiguamiento, LDRB y HDRB,amortiguamiento del orden del 10%

- Aislación sísmica con apoyos Goma Natural de alto amortiguamiento con núcleo de plomo,LRB, amortiguamiento del orden del 20% .

- Aislación sísmica amortiguadores viscosos, amortiguamiento del orden del 30% .

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


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

2.1 VIADUCTO LAS CRUCES - 2013


- Longitud: 126.30 m, en 4 tramos.

- Ancho Tablero 21.70 m.

- Altura de Cepas, 11.00 m a 14.00 maprox. (Loseta de continuidad enCepas).



- Vigas Pretensadas simplemente apoyadas de entre 1.51 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 PSSManual de Carreteras Vol. 3)



Situación de Proyecto:

- Puente con cepas de altura entre. 11.00 y 14.00 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 dichos esfuerzos en los elementos con la implementaciónde Aislación Sísmica.

- Desplazamientos longitudinales totales de aprox. 50 cm (sin sistema de aislación sísmica).





2.2 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.


2.2 ESTUDIOS DE RIESGO SISMICO


Coeficiente deamortiguamientopara periodosmayores a 0.8xTeff(Guide Specificationfor Seismic IsolationDesign)

2.3 ESPECTRO DE ACELERACIONES SISMO DE DISEÑO

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

1,100

1,200

0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 1,05 1,20 1,35 1,50 1,65 1,80 1,95 2,10 2,25 2,40

Ace

lera

ció

n E

spe

ctra

l. S

a(g)

Periodo, T(s)ESPECTRO ESTUDIO RIESGO SISMICO ESPECTRO MANUAL DE CARRETERAS MOP

ESPECTRO DISEÑO 20% ESPECTRO DISEÑO 5%

0.8 Teff

Teff


2.4.2 Viaducto Las Cruces

- T eff = 1.92 seg

2.4 DATOS DISEÑO AISLADOR SISMICO


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.

VIADUCTO LAS CRUCES

G= 0.45 a 0.55 MPa

CALCULO PROPIEDADES AISALDOR CIRCULAR + NUCELO DE PLOMO

1. PROPIEDADES

Modulo de Corte (G) 0.55 Mpa

Modulo de Corte (Gc) 0.66 Mpa

Esfuerzo fluencia de la Goma Natural (s y) 8.6 Mpa

2. DIMENSIONES

Diámetro Aislador (D) 700 mm

Número de "layers" de gomas (N) 27

Diámetro Núcleo Plomo (Dp) 165 mm

Espesor placas de acero (ts) 3 mm

Espesor goma natural entre placas de acero (ti) 8 mm

Recubrimiento lateral de Goma Natural (cs) 12.5 mm

Espesor Placa Montaje (tp) 32 mm

Espesor placa interior (tip) 25 mm

Altura Aislador (H isol) 408 mm

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


3.1 PARAMETROS PARA CALCULO AISLADORES SISMICOS

3. CONDICIONES DE DISEÑO

Desplazamiento Longitudinal (U1) (SAP2000 para comb long)

Desplazamiento Transversal (U2) (SAP2000 para comb long)

Desplazamiento Total de diseño (dD)

Factor aplicado al desplazamiento por sismo (F)

F x dD

Rotación sin desplazamiento (q0)

Rotación con desplazamiento por sismo (qeq)

Desplazamiento máximo sin Sismo (D NONS)

Desplazamiento Offset (D off)

Carga vertical por Carga Muerta (DL)

Carga vertical por Carga Viva (LL)

Carga vertical DL + LL (Pzero)

Carga vertical a máximo desplazamiento (Pdmax)

Carga viva (PLL)

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 AISLADOR

1° Definir un amortiguamiento objetivo, en general entre un 10% y un 25% paraaisladores de goma natural con núcleo de plomo.

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 desplazamientos máximos delaislador para este K eff (Obtención de condiciones de 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.

Fuente: DIS, Dynamic Isolation Systems


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, Modo de Vibrar Longitudinal



3.3.3 Modelo, Modo de Vibrar Transversal



3.3.4 Comparación resultados con y sin Aislación Sísmica Viaducto Las Cruces

SIN AISLACION CON AISLACION

T eff (seg) 1.50 1.92

K placa apoyo (T/m) 585 112

Amortiguamiento 5% 20%

D máx. (cm) * 23.4 14.4 (-38%)

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

* Superior en columnas de cepa


El o los Fabricantes de los Aisladores deberán demostrar la debida experiencia y hacer entrega de loscertificados que avalen sus procesos internos y autocontroles de calidad. Se deberán cumplir lossiguientes requisitos:

- Experiencia en la fabricación del tipo de Aislador específico a ser utilizado, para estructurastipo Puentes y/o Edificios bajo los Estándares de las normas AASHTO y/o NCh2745of2003. Elfabricante deberá acreditar una experiencia mínima de 5 años en la fabricación de AisladoresSísmicos.

- Certificación de Gestión de Calidad ISO 9001 u otra similar.

- Certificación externa independiente de la calibración de los equipos involucrados en losprocesos de fabricación de los Aisladores.

4.1 REQUISITOS FABRICACION AISLADORES

Laboratorio Ensayo Aisladores,DIS, RENO, EEUU.


El o los Laboratorios que ensayarán los Aisladores deberán demostrar la debida experiencia y hacerentrega de los certificados que avalen sus procesos internos y autocontroles de calidad. Se deberáncumplir los siguientes requisitos de forma simultánea:

- Experiencia en el ensayo y certificación del tipo de Aislador específico a ser utilizado, paraestructuras tipo puentes y/o edificios bajo los Estándares de las normas AASHTO y/oNCh2745of2003. El fabricante deberá acreditar una experiencia mínima de 5 años en elensayo y certificación de Aisladores Sísmicos.

- Certificación de Gestión de Calidad ISO 9001 o similar.

- Certificación internacional de los equipos involucrados en los Ensayos de los Aisladores, bajoel estándar ASTM E4-09a u otro similar, emitido dentro de los últimos 5 años.

- Procesos de certificación de la calibración de los equipos involucrados en los ensayos de losAisladores, relativos a Desplazamientos y Carga.

- El laboratorio deberá contar con Maquinaria cuyas capacidades de carga y desplazamientopermitan realizar los ensayos de prototipo a escala real.

4.2 REQUISITOS ENSAYOS AISLADORES


- Se ensayarán como mínimo 2 prototipos por cada tipo de aislador, con los datos proporcionadospor el Ingeniero Estructural. (cargas y desplazamientos según Guide Specifications for SeismicIsolation Design, AASHTO, 3th Edition). En el caso de empresas fabricadoras que a juicio de laautoridad no cuenten con una extensa experiencia en la fabricación de Aisladores, se deberánconsiderar 1 prototipo por línea de apoyo, debiendo considerar 1 aislador por cada estribo, y 1Aislador por cada Cepa, con un mínimo de 2 Aisladores por cada Aislador de diferente geometría.

- Los prototipos ensayados deberán ser detamaño real, sin escalar, y deben ser ensayadosde a pares. Los prototipos no se llevarán a la rotura.

- Estos prototipos no podrán ser utilizados en elproyecto del puente carretero.

4.3 ENSAYOS PROTOTIPOS

Prototipo 1, Puente Río Claro Poniente


4.3 ENSAYOS PROTOTIPOS

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

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

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

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

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

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


Prototipo 1 Prototipo 2

Ensayo

Resultado Ensayos



4.4 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.


4.4 ENSAYOS VERIFICACION CALIDAD

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

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

4.4.3 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.


4.5 ENSAYOS COMPLEMENTARIOS

4.5.1 Control Geométrico y de Peso

4.5.2 Verificación Propiedades Materiales (Estabilidad de Propiedades)

Medición de las dimensiones de cada Aislador y verificación de su concordancia con lasEspecificaciones Técnicas de los mismos.

Para cada partida de mezcla, se deberá someter a dos probetas del Aislador a pruebas deenvejecimiento de acuerdo a la AASHTO LRFD 18.2.3.1. Se deberán verificar las propiedadesde Módulo de Corte y Amortiguamiento.


4.6 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.

- Además se deberán adjuntar los certificados de Materiales y Equipos utilizados para la fabricacióny/o Ensayo de los Aisladores.


4.7 PROTOCOLO ENSAYOS

- Documento generado para establecer los requisitos de Fabricación y Ensayo.

- Aprobado por el Departamento de Estructuras del MOP.


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.

- El desplazamiento transversal controla el diseño de este elemento.

5.2 JUNTAS DE DILATACION

Junta de Dilatación Modular,Río Claro Poniente



JUNTAS DE DILATACION MODULARES:

- Permiten grandes desplazamiento en el sentido longitudinal y transversal.

- Requieren detallamiento especial en elementos de hormigón armado del puente

- d longitudinal = +/- 300 mm- d transversal = +/- 260 mm



Juntas de Dilatación Puente Río Claro Poniente



Juntas de Dilatación 5 travesaños


5.3 BARANDA EN ZONA DE JUNTA DE DILATACION

Apoyo Fijo Apoyo Móvil

Plancha Acero

Junta debe permitir movimientotransversal y longitudinal.


- Las estructuras viales con aislación sísmica en Chile se han constituido en una buena alternativapara el diseño de puentes carreteros (reducción costos, conocimiento técnico, seguridad estructuraladicional).

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

- 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, y son visados por el proyectista en ellugar de fabricación.


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Presentador:Claudio Morales Quiroga

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