DISENO SISMICO DE PUENTES CON AISLADORES Y CON DISIPADORES DE ENERGIA

Transcripción

1 Colegio de Ingenieros del Perú Consejo Nacional Lima, Enero, 2017 DISENO SISMICO DE PUENTES CON AISLADORES Y CON DISIPADORES DE ENERGIA. Diseño Estructural Puentes, Túneles, Ferrocarriles EQELS Co., Ltd. E.I.R.L. LIMA, PERU eqelsperu@gmail.com

2 REDUCCION DEL RIESGO SISMICO EN INFRAESTRUCTURA EVALUACION DEL PELIGRO SISMICO EVALUACION DE LA VULNERABILIDAD MITIGACION MICROZONIFICACION NORMAS PARA LA EVALUACION SISMICA Y REFORZAMIENTO ESCENARIOS PARA LA DECISION DE MEDIDAS Y PLANIFICACION

3 COMPORTAMIENTO SISMICO DE PUENTES OBJETIVO: NO COLAPSAR Ambulancias y Cisternas de Bomberos Otros vehículos para responder a las emergencias Transporte publico Impacto económico (local y global) Serviciabilidad después de sismos severos: Minimizar drift permanente y Daños

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5 Metodología de Evaluación Sísmica de Puentes basada en el Comportamiento Probabilístico Análisis de Peligros Sísmicos (Ej. 5% de probabilidad en 50 años ) Análisis de Demanda (Análisis Estructural) Drift, Desplazamiento (Ductilidad), Rotaciones plásticas, Deformación en Compresión, Rotación de Pilares Análisis de daños estructurales (Estado de daños: Curvas de Fragilidad) Análisis de pérdidas

6 COMPORTAMIENTO SISMICO Y VULNERABILIDAD DE PUENTES PARAMETROS DE DISEÑO ESTRUCTURAL Configuración estructural Detalles del diseño Refuerzo longitudinal, Transversal Traslapes y longitud de desarrollo, Confinamiento Materiales de Construcción Acero, Concreto Armado, Concreto Presforzado CONDICION ESTRUCTURAL Y DEL SITIO Mantenimiento, Condiciones locales del Suelo

7 TIPICOS MECANISMOS DE FALLA EN PUENTES DEBIDO A EFECTOS SISMICOS Caída de Tableros debido a falla en los dispositivos de apoyo y juntas de expansión Asentamiento en los Estribos de Apoyo Falla de Pilares: Rotulas plásticas, Falla de Corte, Confinamiento

8 Aislamiento Sísmico + Interacción Suelo Estructura 4 G.L

9 Rigidez de la Cimentación Pilar M=420 Ton h = 21m

10 EJEMPLO: ANALISIS DE UN PUENTE CON AISLADORES (Base Fija de los Pilares) Elementos tipo viga Base Fija = NO Interacción Suelo Estructura Masas concentradas SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g, A (transv) = 0.34g Suelo: Moderado

11 ANALISIS LONGITUDINAL SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g A (transv) = 0.34g Datos: Tonaorkar et al.

12 ANALISIS TRANSVERSAL SISMO, EL CENTRO 1940 A (long) = 0.21g A (transv) = 0.34g

13 LONGITUDINAL TRANSVERSAL Datos: Tonaorkar et al.

14 ACELERACIÓN DEL TABLERO

15 Cortante en la Base del Pilar Datos: Tonaorkar et al.

16 DESPLAZAMIENTO DEL AISLADOR EN EL PILAR

17 DESPLAZAMIENTO DEL AISLADOR EN EL PILAR Datos: Tonaorkar et al.

18 AMORTIGUAMIENTO DEL AISLADOR

19 DESPLAZAMIENTO HORIZONTAL EN EL EXTREMO SUPERIOR DE LOS PILARES (BASE FIJA) Sismo pequeño: 0.35g Sismo Fuerte: 0.75g

20 DESPLAZAMIENTO EN EL EXTREMO SUPERIOR DEL PILAR: P2 (INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA) Sismo pequeño: 0.35g Sismo Fuerte: 0.7g Datos: Grange, et.al 2011

21 FUERZA DE CORTE EN LA BASE DE LOS PILARES (INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA) Sismo Fuerte: 0.7g Sismo pequeño: 0.35g Datos: Grange, et.al 2011

22 Como influenciar en el comportamiento sísmico de estructuras de Puentes Se puede influenciar el comportamiento estructural en diversas formas, actuando: Sobre la RIGIDEZ (geometría estructural) Sobre la MATRIZ DE AMORTIGUAMIENTO (Ductilidad de Materiales y Secciones) Sobre la INERCIA (masa estructural y su distribución) En una forma mas efectiva y menos laboriosa: Distanciar las frecuencias de la estructura de aquellas que reciben el mas alto contenido de energía (AISLAMIENTO SISMICO)

23 AISLAMIENTO SISMICO EN PUENTES OBJETIVOS Proteger componentes estructurales y no-estructurales debido a que reduce de aceleración en la Estructura Evita el colapso estructural Reduce costos de reparación Una estructura aislada sísmicamente permanece funcional aun después de Un sismo severo AISLADOR SISMICO: Gran capacidad de deformación horizontal Alta rigidez vertical

24 ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES Suelos Blandos Sismos de periodos largos (No forzar al Puente con periodos largos) Dificultad para ampliar el claro entre el tablero y el Estribo Se Requiere Juntas de Expansión especiales que absorban gran desplazamiento AISLADOR SISMICO: Se requiere esfuerzos para reducir el claro en las juntas de expansión

25 ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES Evaluación de la colisión entre tablero y Estribo (No causa problemas estructurales críticos pero si producen un daño muy fuerte en las juntas de expansión POR ESTAS RAZONES: NO SE DEBE DISEÑAR CON DESPLAZAMIENTOS MUY GRANDES EL PUENTE CON AISLADORES

26 ELONGACION DEL PERIODO FUNDAMENTAL - DIFICULTADES EN VEZ DE INCREMENTAR EL PERIODO NATURAL ES PREFERIBLE: COMBINAR EL INCREMENTO DE LA CAPACIDAD DE ENERGIA DISISPADORA CON LA DISTRIBUCION DE LA FUERZA SISMICA A TODOS LOS PILARES Y ESTRIBOS POSIBLES

27 Los Aisladores son idealizados como un conjunto de resortes equivalentes lineales PARAMETROS MAS IMPORTANTES EN EL ANALISIS DINAMICO LA RIGIDEZ EQUIVALENTE EL COEFICIENTE DE AMORTIGUAMIENTO DEL AISLADOR

28 CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE (JAPON)

29 CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE, ANALISIS MODAL (JAPON)

30 CALCULO DEL AMORTIGUAMIENTO DEL PUENTE, ANALISIS MODAL (JAPON)

31 DISENO DE AISLADORES SISMICOS EN PUENTES - JAPON Método de los Coeficientes Sísmicos Método por Capacidad Los Puentes son diseñados con el Método de los coeficientes sísmicos La ductilidad de los pilares de concreto es verificada con el Método por Capacidad

32 Método de los Coeficientes Sísmicos CALCULO DEL COEFICIENTE DE FUERZA LATERAL (JAPON)

33 Método por Capacidad CALCULO DEL COEFICIENTE DE FUERZA LATERAL (JAPON)

34 Desplazamiento de Diseño de los Aisladores (ub) M. Coef. Sísmicos M. por Capacidad

35 Los Aisladores en JAPON deben ser fabricados de modo que: KB este dentro de +- 20% Valor de diseño Los aisladores deben ser estables con 50 ciclos de carga armónica con desplazamiento ub Desplazamiento Residual:

36 r No es conocido inicialmente

37 Análisis inelástico Estático Fuerza Lateral Equivalente Factor de Modificación de respuesta de la histéresis inelástica a la flexión de los pilares Factor de Modificación de respuesta obtenido de la capacidad de Disipación de Energia

38 Análisis inelástico Estático Como:

39 Energía de Deformación de la Columna y el Aislador

40 Amortiguamiento del Sistema para el Primer Modo de Vibración

41 Efecto del Aislador en la ductilidad del sistema

42 Existen 3 métodos para analizar y diseñar estructuras con aislamiento Sísmico El Método de la Fuerza lateral Equivalente (ESTATICO) El Método del Espectro de Respuesta (DINAMICO) El Método Tiempo-Historia (generalmente No-lineal) (DINAMICO)

43 FACTOR DEL CREEP EN LOS AISLADORES Aislador con Caucho NaturalNatural Rigidez dinámica / Rigidez estática = Valor bajo Mejores propiedades del Creep Aislador con caucho sinteticosintético Tiene un amortiguamiento mayor que el Rubber bearing natural En Albany Court (Australia) después de 15 años el creep medido fue muy cercano al calculado y se espera que no exceda 6mm después de 100 años.

44 PROPIEDADES DINAMICAS DE LOS AISLADORES Dependen de varios factores: El incremento de rigidez con la carga estática y La frecuencia de la carga dinámica Amplitud de deformaciones Temperatura Edad e historia del Rubber Bearing

45 PROPIEDADES ADECUADAS DE LOS AISLADORES Son descritas adecuadamente por: Fuerza-desplazamiento en Compresión y Corte Comportamiento del creep de larga duración bajo carga estática constante Modulo dinámico y factor de amortiguamiento en diferentes frecuencias y amplitudes.

46 AISLAMIENTO SISMICO : CONCEPTO

47 EFECTO DE LAS CONDICIONES DEL SUELO EN LA RESPUESTA DE UNA ESTRUCTURA CON AISLADORES SISMICOS Los suelos blandos amplifican la respuesta en periodos altos, Puentes aislados sísmicamente con Periodo alto no son muy adecuados en suelos blandos

48 Algunas propiedades del caucho en aisladores al 100% de deformación al corte

49 Características principales de un aislador Variación del G versus Variacion de G y con la frecuencia Variacion de G y con la Temperatura Variacion de G y con la edad Variacion de G y con la carga cíclica Variacion de adhesion con la edad Resistencia al agrietamiento lento

50 Típicos Apoyos elastoméricos

51 Aisladores HDRB Consiste en capas de caucho vulcanizado alternadas con capas de acero inoxidable Comportamiento Lineal Típico

52 Aisladores LRB Consiste en capas de caucho vulcanizado alternadas con capas de acero inoxidable y contienen un núcleo metálico (lead plug) que es diseñado para cambiar el comportamiento LINEAL a BILINEAL

53 Modelo Histerético BILINEAL del Aislador Resistencia característica = Resistencia característica L = Esfuerzo de fluencia del lead Q A d L L

54 Modelo Histerético BILINEAL del Aislador Resistencia Post-Elástica Kd K d f L GA T r r A r G = Área de contacto del Elastómero = Modulo de Corte del Elastómero T r f = Efecto del lead sobre Kd. (1.0~1.2) L = Desplazamiento de Fluencia Y = Espesor total del Elastómero (n capas de caucho espesor tr) Típicamente, Y = 0.6 cm ~ 2.5cm

55 Linearización del Modelo Histerético BILINEAL del Aislador Amortiguamiento Efectivo ef D M = Máximo desplazamiento del Aislador Kef = Rigidez Efectiva = Max Force / (DM y ) ef

56 Diámetro del Lead d L Qd (ton) cm Diámetro del Elastómero A b PDL P perm LL B 4 A r d 2 L A 2 2 r d L B B B o

57 Rigidez del Elastómero T r f L GA K d r K d f L GA T r r G 0.5 ~1 o mas Espesor total del Aislador n T t r r Verificaciones H n t ( n 1) t 2t r dl, Limite de deformaciones, Estabilidad a la carga vertical (en estado deformado y no-deformado), s c B 6 d L B 3

58 Aisladores LRB Comportamiento Sísmico El núcleo metálico (lead plug) toma primero la fuerza sísmica Una vez que el núcleo metálico alcanza la fluencia, el caucho empieza a resistir la fuerza sísmica. El Núcleo metálico tiene la propiedad de recristalizarse a temperatura ambiente después de haber estado sometido a deformaciones Plásticas. En teoría, podría resistir ciclos ilimitados de deformación sin necesidad de reemplazarlos después de un sismo severo.

59 Aisladores LRB Comportamiento Sísmico La Fuerza equivalente alcanzada en el desplazamiento de diseño es: Fuerza de Fluencia del núcleo metálico Fuerza elástica proporcionada por el caucho Por lo tanto: Los Aisladores LRB tienen 2 niveles de Rigidez: Primera Rigidez (Núcleo metálico) Segunda Rigidez (Caucho) +

60 DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS El Comportamiento de cada aislador es considerado Lineal- Equivalente y es caracterizado por: k ef, i = Rigidez efectiva de cada aislador ef,i = Amortiguamiento efectivo de cada aislador donde : i = 1, 2,.N N = numero de aisladores

61 DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS Considerando la masa global [M] de la Superestructura y el Centro de Masas Asumiendo un Modelo de 1 G.L con: Masa [M], Rigidez Horizontal Efectiva del Sistema Aislado El Periodo de vibración es: T ef 2 M k ef Naisladores k k ef ef i 1, i

62 CONCEPTO DE DISEÑO DE LOS AISLADORES SISMICOS Fijando el Periodo del Aislamiento T ef Del Espectro de Respuesta de Aceleración (incl. tipo de suelo) Se calcula S ( T a ef ) y el Desplazamiento del sistema de Aislamiento S d [T ef,ξ ef ] S a [T ef,ξ ef ] Tef 2 π 2

63 RIGIDEZ DEL SISTEMA PUENTE SIN AISLAMIENTO PUENTE CON AISLAMIENTO SOLO EN LOS PILARES PUENTE CON AISLAMIENTO EN LOS PILARES Y ESTRIBOS

64 Datos: Ebrahimi et al 2014