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

Colegio de Ingenieros del Perú

Implementación de aisladores sísmicos y disipadores de energía en Puentes de Japón

Freddy Duran, Ph.D

Lima, 27 de Mayo del 2015

Toda la información tiene derechos reservados de los respectivos autores, Su uso en esta presentación es solo con fines educacionales

Danos sísmicos en los apoyos de puentes En los 60s

DANOS OCURRIDOS CUANDO EL EFECTO SISMICO NO FUE CONSIDERADO O POBREMENTE CONSIDERADO SISMO DE NIIGATA DE 1964 Falla del anclaje

DESARROLLO DE DISPOSITIVOS DE APOYO PARA EVITAR LA CAIDA DE TABLEROS

F. Duran C.

Verificación de los asientos de apoyo S E S E = u R + uG > S EM

u G = εG L del tablero respecto a la base de la subestructura u RDesplazamiento = εG = Deformación del suelo para el diseño (0.0025, 0.00375, 0.005)

uG =

Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas por la deformación sísmica del suelo

S EM = 0.7 + 0.005 l

F. Duran C.

Ejemplo: Longitud de los asientos de apoyo Datos: desplazamiento relativo del cabezal del pilar

uG = εG L

SE

u R = 0.5 m εG = 0.005

u G = 0.005 L = 0.3 m Por lo tanto:

SE = u R + uG = 0.8 m S EM = 0.7 + 0.005 l

S EM = 0.7 + 0.005 l = 0.85 m

S E = u R + uG > S EM

S E = 0.85 m

εG =

Deformación del suelo para el diseño 0.005

uG =

Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas por la deformación sísmica del suelo F. Duran C.

Implementación de la protección sísmica en los apoyos de puentes en los 70s

F. Duran C.

Ejemplo de implementación de amortiguadores viscosos (70s) Metropolitan Expressway,Tokyo

Sliding bearings disipan energía con el periodo natural controlados F. Duran C. por cables pretensados entre el tablero y la subestructura

Danos Sísmicos en Puentes causados por El terremoto de Kobe en 1995

F. Duran C.

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 restauración • Su uso exclusivo terminaría en un dislocamiento después de un sismo y continuaría dislocándose durante las replicas DEBIDO A SU SUPERFICIE DE DESLIZAMIENTO PLANA. El Sistema del Péndulo de Fricción (FPS) modifico la superficie de deslizamiento a una superficie curva. Durante el movimiento lateral este se levanta F. Duran C. verticalmente produciendo una fuerza de restauración.

Mecanismo de colapso de puentes (Sismo de Kobe 1995)

K. Kawashima

F. Duran C.

Sismo de Kobe 1995

K. Kawashima

Vulnerabilidad de apoyos móviles y fijos F. Duran C.

Sismo de Kobe 1995 Falla en los apoyos de puentes

K. Kawashima

F. Duran C.

K. Kawashima

F. Duran C.

Los dispositivos de apoyo de acero tenian las siguientes deficiencias: • Resistencia insuficiente • Debilidad en estructuras con insuficiente capacidad de resistencia lateral • Insuficiente longitud de movimiento Después del sismo de Kobe de 1995, se recomendó el uso de Apoyos elastomericos (con goma vulcanizada) incluyendo LRB y HDR. Se incremento la fuerza de diseño de los dispositivos de apoyo Antes de 1995 el 98% de los dispositivos de apoyo fueron de acero Ahora el 90% de los dispositivos de apoyo son elastomericos F. Duran C.

Generalizacion de la protección sísmica en los apoyos de puentes después de 1995

F. Duran C.

Después del Sismo de Kobe de 1995 se generalizo el uso de sujetadores en los apoyos

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

1) Sujetadores con cables

2) Stoppers

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Instalación de dispositivos deslizantes de apoyo

F. Duran C.

Instalación de buffers de goma

F. Duran C.

K. Kawashima F. Duran C.

Puente Takao

Junta de expansión en el extremo del tablero

F. Duran C.

Implementación de aisladores sismicos en el Puente Ohito (National Highway, Izu, Japon)

K. Kawashima

Longitud = 1.929 km, 66

F. Duran C.

Viaducto Ichinomiya, Tomei expressway

K. Kawashima F. Duran C.

Reparación sísmica con aisladores en puentes dañados

K. Kawashima

F. Duran C.

Reparación sísmica con aisladores en puentes dañados

F. Duran C.

K. Kawashima

Reemplazo de dispositivos de apoyo de acero con aisladores sísmicos LRB

K. Kawashima

F. Duran C.

Reforzamiento sísmico usando aisladores en los apoyos Puente existente

Puente reforzado

F. Duran C.

Instalación de aisladores sísmicos en puentes

Dispositivo deslizante de apoyo

F. Duran C.

Puente Turukawa, Tomei Expressway

Aislador sismico

F. Duran C.

Reconstrucción de puentes colapsados usando aisladores LRB

20 tramos continuos Original

Reconstruido

F. Duran C.

Stoppers

K. Kawashima

Sujetadores con cables

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Filosofía de Diseño sísmico de Puentes con aisladores y otros disipadores de energía en Japón

F. Duran C.

Diferencias conceptuales del Aislamiento Sísmico en Edificaciones y Puentes El concepto de aislamiento sísmico en Puentes es Fundamentalmente diferente al usado en las edificaciones.

Características estructurales en Puentes : • 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 sísmica es generalmente diferente en la dirección longitudinal y transversal de los puentes. F. Duran C.

Diferencias conceptuales del Aislamiento Sísmico en Edificaciones y Puentes • En un edificio, los aisladores sísmicos son instalados para reducir las fuerzas de inercia actuantes en los elementos estructurales encima de los aisladores. • En puentes, los aisladores sísmicos son instalados en los apoyos de la superestructura para reducir las fuerzas de inercia en los pilares transmitidas desde la superestructura .

F. Duran C.

Esquema de un puente con aisladores en los apoyos

F. Duran C.

Espaciamiento de juntas en la dirección 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 TRANSMITIR UN NIVEL DE FUERZA CORTANTE QUE DANE LOS PILARES.

F. Duran C.

Aisladores de alto amortiguamiento (HDRB)

• Alta rigidez a niveles de deformación bajos pero una rigidez reducida a altos niveles de deformación. En la descarga cíclica estos aisladores HDRB tienen una curva histerética con significante amortiguamiento.

F. Duran C.

Norma de diseño sísmico para el asiento en los apoyos (HDRB)

F. Duran C.

Implementación de aisladores sísmicos para cambiar las condiciones de apoyo de puentes simplemente apoyados a puentes continuos

Protección sísmica de puentes con el uso de aisladores sísmicos

F. Duran C.

Para asegurar que un puente cumpla con el comportamiento estructural esperado debe cumplir con los siguientes requisitos:

• Seguridad • Serviciabilidad • Durabilidad

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Aisladores Sísmicos en Puentes de Japón Después 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 de los dispositivos usados en las actuales normas de diseño sísmico de puentes en Japon. El sismo de Kobe acelero la implementación del aislamiento sísmico en Puentes F. Duran C.

Aisladores Sísmicos en Puentes de Japón Stopers de amortiguadores viscosos Amortiguadores han sido usados efectivamente para distribuir la fuerza sísmica lateral de la superestructura a la subestructura con desplazamientos relativos debido a efectos térmicos, creep y contracción La energía no es disipada en los stopers de los amortiguadores. F. Duran C.

Efecto del aislamiento sísmico Desde la perspectiva del espectro de aceleracion de respuesta

El incremento del periodo de vibración del puente reduce la fuerza de corte en la base (pilares y cimentacion)

F. Duran C.

Efecto del aislamiento sísmico Desde la perspectiva del espectro de desplazamientos de respuesta

El incremento del periodo de vibración del puente reduce aumenta la demanda del desplazamiento (apoyos de tableros, juntas, servicio)

F. Duran C.

Protección sísmica de puentes con el uso de aisladores sísmicos

Idealización de los mecanismos de disipación de aisladores sísmicos

F. Duran C.

PRECAUCIONES con el uso de aisladores sísmicos en puentes El uso de aisladores sísmicos implica el incremento del periodo natural PERO TAMBIEN CAUSA el incremento del desplazamiento del tablero Ejemplo: Periodo con apoyos fijos = 0.8 seg Periodo con aisladores sísmicos = 1.5 - 2 seg Desplazamiento del Tablero = 0.3 - 0.7 m F. Duran C.

PRECAUCIONES con el uso de aisladores sísmicos en puentes Como el espaciamiento en las juntas de expansión es pequeño: El desplazamiento grande debido a los aisladores en los apoyos resultara en una colisión entre tableros lo que causara una gran fuerza lateral transferida de un tablero a otro. F. Duran C.

PRECAUCIONES con el uso de aisladores sísmicos en puentes Se recomienda que el periodo natural del movimiento del tablero NO SE INCREMENTE EXCESIVAMENTE Se debe poner énfasis en: • El incremento de la capacidad de energía de disipación, y • La distribución de la fuerza lateral sísmica de un tablero al mayor numero de pilares posible.

F. Duran C.

PRECAUCIONES con el uso de aisladores sísmicos en puentes Se recomienda que el periodo natural del movimiento del tablero con aisladores sismicos en los apoyos sea EL DOBLE del tablero sobre apoyos fijos Por lo tanto: En el diseño Menshin, es posible que ocurra desplazamiento histerético inelástico en los pilares debido a que el periodo no sea incrementado lo suficiente. F. Duran C.

Aplicación de aisladores sísmicos en puentes El diseño de puentes con aisladores sísmicos en los apoyos permite la construcción de Puentes continuos de varios tramos con distribución de la fuerza lateral sísmica a los pilares

Diseño de Puentes con aisladores sísmicos en los apoyos Como el diseño del sistema estructural depende de las características de los aisladores , se requiere un procedimiento iterativo de diseño. Pasos del diseño iterativo: • Análisis inelástico estático del puente con aisladores • Análisis de respuesta dinámico inelástico F. Duran C.

Ejemplo de resultados de un análisis sísmico de un puente de 5 tramos con aisladores sísmicos en los apoyos

F. Duran C.

Resultados del análisis sísmico de un puente con aisladores

F. Duran C.

Aplicación de aisladores sísmicos en puentes El diseño de puentes con aisladores sísmicos en los apoyos permite la construcción de Puentes continuos de varios tramos con distribución de la fuerza lateral sísmica a los pilares

F. Duran C.

MERCADO DE AISLADORES SISMICOS El Mercado de aisladores sísmicos es principalmente distribuido con diversos modelos de: •Aisladores sísmicos LRB . Actualmente esta sin patente única, por lo que hay muchos fabricantes en el mundo •Aisladores sísmicos HDR. Algunos componentes están patentados, pero varios fabricantes tienen sus propios modelos, generalmente con similar nivel de comportamiento mecánico. •Aisladores sísmicos planos (Flat Sliding Bearings) y •Aisladores con el sistema del péndulo de fricción (FPS). Es patentado pero con licencias en muchas partes. F. Duran C.

Diferencia entre el diseño de una estructura con aisladores sísmicos con otra estructura sin aisladores sísmicos

Los aisladores sísmicos necesitan ser diseñados El nivel de análisis requerido es usualmente alto El diseño de aisladores esta gobernado por un pequeño numero de ecuaciones y no requieren un análisis numérico extensivo. El comportamiento de los aisladores sísmicos esta basado en la aproximación de una masa, asumiendo rígidos los pilares y estribos del puente o también pilares flexibles con excentricidad de cargas. F. Duran C.

Evaluación de Puentes con aisladores sísmicos

La evaluación de puentes con aisladores sísmicos en los apoyos requiere de un análisis dinámico de respuesta espectral o tiempo-historia. Normalmente se efectúan los 2 análisis. Si la no-linealidad esta restringida a los aisladores sísmicos 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 sísmicos para puentes:

Debido al continuo mejoramiento en la industria de aisladores sísmicos: Se debe asegurar un fabricante que pueda proveer componentes de aisladores en el tiempo que se requiera Hay una variedad de aisladores sísmicos del tipo LRB y HDRB para puentes en condiciones de carga standard los cuales se comportan bien en niveles relativamente bajos de deformación, ej. 25%. Sin embargo, en zonas sísmicas se puede requerir aisladores sismicos con niveles de deformación 10 veces mas altos, hasta un 250%.

F. Duran C.

Hay una variedad de aisladores sísmicos del tipo LRB y HDRB para puentes en condiciones de carga estándar los cuales se comportan bien en niveles relativamente bajos de deformación, ej. 25%.

Sin embargo, en zonas sísmicas se puede requerir aisladores sísmicos con niveles de deformación 10 veces mas altos, hasta un 250%. Por lo tanto: La fabricación de aisladores sísmicos con alta capacidad de deformación requieren condiciones de fabricación mas exigentes lo cual incrementa el costo En este aspecto, son criticas las técnicas de pegamiento de las laminas de acero con la goma, así F. Duran C. como la limpieza del lugar de fabricación.

Fabricantes de Aisladores sísmicos y disipadores de energía para edificios y Puentes

F. Duran C.

Durabilidad de Puentes aislados sísmicamente Muchos de los aisladores sísmicos usan materiales no tradicionales en ingeniería estructural tales como el TEFLON. Los ingenieros estructurales tienen en cuenta la vida útil de diseño de estos aisladores, que usualmente es de 50 años o mas. Por que 50 años o mas? La respuesta será tomando en cuenta el comportamiento de dispositivos de apoyo elastomericos en puentes de mas de 40 años F. Duran C.

Durabilidad de aisladores sísmicos. Por que 50 años o mas? Teniendo en cuenta que los dispositivos de apoyo elastomericos han sido usados satisfactoriamente en los últimos 50 años (Los dispositivos de apoyo elastomericos están compuestos por capas de goma unidas a placas de acero)

Ensayos de corte en apoyos elastomericos colocados en puentes hace 40 años indican que: • El incremento de la rigidez fue solo del 7% • La oxidación ocurrió hasta 10mm-20mm desde su superficie. Con la tecnología actual de protección contra la oxidación y resistencia a la degradación del ozono, es factible esperar exceder los 50 anos de vida útil F. Duran C.

Durabilidad de aisladores sísmicos. Por que 50 años o mas? Continuación.

Actualmente todos los aisladores sísmicos son fabricados con un proceso de vulcanización y pegados en caliente sometidos a alta presión. El proceso de curado para aisladores de gran dimensión puede tomar mas de 24 horas Algunos dispositivos de apoyo son fabricados con goma sintética, usualmente neopreno. El neopreno tiende a endurecerse con el tiempo por esta razón el neopreno no se usa en aisladores. Sin embargo hay que tener precaución con aisladores con goma sintética

Aisladores sísmicos de acuerdo a la actual norma de diseño sísmico de puentes en Japón Tipos y aplicaciones

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Aislador sísmico de ultra amortiguamiento de caucho y laminas de acero (HDR-S), ノナガセ社会

• Goma natural basada en una formulación especial, formulado por una serie de elementos de amortiguamiento viscosos entre los elementos de amortiguamiento de fricción. • Alto rendimiento histerético. • Alto rendimiento de amortiguamiento, • Alta durabilidad F. Duran C.

Aislador sísmico de ultra amortiguamiento de caucho y laminas de acero (HDR-S),

ノナガセ社会

オイレス工業会社

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Aislador sísmico de caucho y acero laminado con tapón de plomo en el cojinete de caucho laminado (SPR) con un orificio cilíndrico en el cojinete ノナガセ社会

Vulcanización unida a la capa de goma alrededor del agujero, • Caucho de alto rendimiento de aislamiento sísmico • El efecto del muelle es estabilizar el comportamiento durante la deformación por corte, • Hay libertad de diseño de la altura aislador • Rendimiento estable por el efecto de retención de plomo F. Duran C.

Aislador sísmico de goma natural con laminas de acero y con tapón de plomo (LRB)

ノナガセ社会

Alta capacidad de carga, • Gran deformación por corte y resistencia a la rotación • Larga duración manteniendo el funcionamiento estable a largo plazo para la fuerza de corte requerida. • La unión firme de la goma con las laminas de acero absorben bien la energía sísmica transmitida y reducen la vibración del aislador. • Capacidad de deformación plástica de acuerdo con la deformación de la goma laminada. Hay libertad para cambiar el tamaño de la clavija de plomo, y tamaño del aislador y algunas propiedades LRB. Fácil reemplazo y mantenimiento

Aislador sísmico de goma natural con laminas de acero y con tapón de plomo (LRB)

ノナガセ社会 オイレス工業会社

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Aislador sísmico de goma natural con laminas de acero y con tapón de plomo (LRB)

ノナガセ社会 オイレス工業会社

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Aislador sísmico de goma natural con laminas de acero y con tapón de plomo (LRB) Aplicación: Aisladores LRB en los apoyos de tableros de concreto

オイレス工業会社 F. Duran C.

Aisladores Sísmicos Híbridos (HB) ノナガセ社会

• Absorben el desplazamiento y rotación del tablero del puente • Estructura de soporte en el cojinete superior, y la porción de caucho laminado en la parte inferior. • Permite un diseño racional para mejorar el diseño sísmico • Reducción del costo de construcción. • Capaz de acomodar una amplia gama de requerimientos F. Duran C.

Aisladores Sísmicos DSF

東京ファブリック工業株式

Modelo antiguo F. Duran C.

Aisladores Sísmicos DSF Gran rendimiento, fuerzas y deformaciones.

東京ファブリック工業株式

Modelo actual

1 mi

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 calidad de distribución de fuerzas laterales

東京ファブリック工業株式

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

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Puente en Japan Highway, Tohoku Puente continuo de 8 tramos, concreto postensado, Tablero de acero

東京ファブリック工業株式

Puente Kidobashi, Nagoya Puente de 3 tres tramos simplemente apoyados +14 tramos continuos, Concreto postensado, Tablero de seccion cajon 1392 m F. Duran C.

Dispositivos complementarios para mejorar la protección sísmica en los apoyos de puentes

F. Duran C.

Distribuidores de Fuerza Lateral DSF

東京ファブリック工業株式

Para puentes pequenos y medianos - Luces menores de 250 m

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. F. Duran C. 4. Alto rendimiento a la carga ciclica.

Distribuidores de Fuerza Lateral DSF

東京ファブリック工業株式

Kumiyama viaducto (Region de Kinki) Puente de 10 tramos de Concreto (290 m) con losa de concreto

F. Duran C.

Sistema compuesto por aislador sísmico y resorte vertical 東京ファブリック工業株式

Puede ser usado como aislador sismico tipo LRB con mayor rigidez lateral que la convencional F. Duran C.

Aisladores sísmicos en el mantenimiento de puentes en Japón

F. Duran C.

Aisladores Sísmicos en el Mantenimiento de Puentes

東京ファブリック工業株式

F. Duran C.

Implementación de amortiguadores (disipadores de energía) en la protección sísmica de apoyos de puentes en Japón

F. Duran C.

Dispositivos de disipación de energía Amortiguadores Vicosos

川金コアテック事業紹介 オイレス工業会社

Fuerza de friccion vs Desplazamiento del piston del amortiguador Comportamiento histeretico con alto grado de absorcion de energia F. Duran C.

Dispositivos de disipación de energía Amortiguadores Vicosos

川金コアテック事業紹介

オイレス工業会社

オイレス工業会社

La fuerza de friccion no es afectado significativamente ante cambios extremos de temperatura

Fuerza de friccion vs Desplazamiento del piston del amortiguador Comportamiento histeretico no varia significativamente con el numero de ciclos histereticos

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Dispositivos de disipación de energía 川金コアテック事業紹介

Amortiguadores Vicosos KVD

• Disipadores de energia, usan un cilindro hidraulico interno con aceite para el mecanismo de absorcion de energia • Alta capacidad de amortiguamiento debido a la alta capacidad 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.

Dispositivos de disipación de energía Amortiguadores Vicosos KVD

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El amortiguador viscoso KVD utiliza la resistencia friccional del material viscoso dentro del cilindro Utiliza un mecanismo tipo piston entre 2 cilindros resistentes a la torsion y deformacion El material viscoso puede ser afectado por los cambios extremos de temperatura Su diseno tiene variedad de opciones. Tiene un comportamiento 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 Aplicación:

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Dispositivos de disipación de energía en las juntas de expansión de los tableros de puentes en Japón

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Dispositivos de disipación de energía en juntas de expansión 東京ファブリック工業株式

Alta durabilidad y excelentes propiedades contra la abrasion Tipo 1: Para puentes pequeños y medianos

Expansion: 56-126 mm

Cumple los estándares Japoneses Gran capacidad de contracción, expansión, Resistente a la rotación Protección a la penetración de agua

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Dispositivos de disipación de energía en juntas de expansión 東京ファブリック工業株式

F. Duran C.

Dispositivos para prevenir la caída de tableros durante sismos fuertes

東京ファブリック工業株式

F = 330 kN – 2000 kN Ejemplo: F = 330 kN – 2000 kN, A= 208 mm2 slip : 36 mm F. Duran C.

Mantenimiento de Puentes

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F. Duran C.

Gracias

F. Duran C.