PAUTAS PARA LA SELECCIÓN, DISEÑO Y DETALLADO ESTRUCTURAL DE

APOYOS EN PUENTES

BREVE REVISIÓN

Ing. Carlos Rodríguez

«Tú me escrutas, Señor, y me conoces; sabes cuándo me siento y me levanto, mi pensamiento percibes desde lejos; de camino o acostado, tú lo adviertes, familiares te son todas mis sendas…

…Porque tú has formado mi cuerpo, me has tejido en el vientre de mi madre; te doy gracias por tantas maravillas: prodigio soy,

prodigios tus obras.

Salmo 139

Deformada del tablero de un puente continuo de eje recto y tres tramos

DISPOSITIVOS DE APOYO

Los dispositivos de apoyo se diseñan para: - transmitir las cargas desde la superestructura a la

subestructura - Permitir la expansión y rotación de la superestructura

Deben poseer gran capacidad de distorsión y gran rigidez ante cargas verticales. Su altura no debe cambiar apreciablemente ante cargas verticales. Los dispositivos de apoyo se diseñan para resistir las cargas que pueden ocurrir simultáneamente en distintas direcciones

Los dispositivos deben resistir y transmitir a la subestructura los efectos de las cargas vivas, fuerzas de frenado, cambios de temperatura, fuerzas centrífugas, fuerzas de viento y en ciertos casos fuerzas sísmicas. Los dispositivos de apoyo deben ser de fácil mantenimiento o no requerirlo.

Mecedoras o Balancines (rockers)

Patines (rollers)

Rodillos (pins)

Apoyos de recipiente (encapsulados)

PTFE /elastómeros + teflón (polytetrafluoroethylene)

Almohadillas Elastoméricas

DISPOSITIVOS DE APOYO

Los apoyos tipo mecedora, tienen tendencia a ladearse bajo acciones sísmicas. Se debe evitar confiarse en un solo apoyo para resistir el total de las fuerzas sísmicas. El empleo de cables o barras externas permite restringir el desplazamiento (emplear esta solución solamente cuando otras no son prácticas).

Apoyo tipo mecedora

Mecedoras o Balancines (rockers) Patines (rollers) Rodillos (pins)

Mecedoras o Balancines (rockers) Patines (rollers) Rodillos (pins) Apoyos encapsulados (pots) PTFE /elastómeros Almohadillas Elastoméricas

Como la tendencia del diseño exige cada vez luces mayores y menos juntas por razones sísmicas, y además se construyen puentes curvos y esviados (sesgados , oblícuos), las demandas sobre los apoyos se han incrementado.

DISPOSITIVOS DE APOYO

Deben tomarse en cuenta las rotaciones debido a las deflexiones de los tramos simples con luces libres mayores a 15m Para los puentes de tablero continuo, los apoyos deben diseñarse para resistir cambios térmicos. Cuando no sea posible, deben acomodarse a los movimientos térmicos. La posibilidad de contracción o expansión se puede lograr con columnas flexibles o articuladas en su base, también por medio de mecedoras o rodillos, almohadillas elastoméricas planas y almohadillas laminadas, o apoyos pre fabricados como discos o apoyos encapsulados.

Distribución de efectos térmicos

Distribución de efectos térmicos

Skew Ir

0 1.00

10 1.09

20 1.35

30 1.75

40 2.24

50 2.76

90 4.00

DISPOSITIVOS DE APOYO

Los dispositivos que utilicen placas de fábrica, tendrán una almohadilla elastomérica o tela de algodón colocado entre el concreto y la placa. Cuando se tengan pendientes mayores a 1% se biselará la placa. Los dispositivos de apoyo se diseñan con los factores de distribución para corte. El factor de impacto es 1.75. Los apoyos elastoméricos no se diseñan para carga de impacto. El factor de reducción de resistencia para todos los dispositivos de apoyo es 1

MATERIALES

No se debe emplear WEATHERING STEEL en apoyos tipo balancín, apoyos encapsulados, dispositivos de refuerzo o planchas de respaldo unidas a Teflón o Soldadas a acero inoxidable. Normalmente se empleará Acero ASTM A709 (G36 G50) pintado y en casos particulares ASTM A514 (G90 G100). Las placas de unión sí pueden fabricarse de WEATHERING STEEL cuando se emplean con dispositivos de expansión elastoméricos. Cuando se emplee acero inoxidable: ASTM A240 para placas, ASTM A276 para barras y perfiles. Acero dulce para pines : ASTM A108 Gr 1018 para diámetros de 4’’ y menores.

Para pines de mayores diámetros, AASHTO especifica acero forjado (ASTM A668) que no es soldable. Cuando tengan que soldarse pines para alcanzar mayores diámetros se cuenta con acero ASTM A572 Gr 42 (placas de 6’’ máx.) o Gr 50 (placas de 4’’ máx.) Para dispositivos mecánicos de apoyo usar acero inoxidable. Cuando no se pueda emplear acero inoxidable, usar acero dulce. Galvanizar todo el dispositivo y luego pintar las superficies que no estarán en contacto. Las superficies de contacto deben ser lubricadas con una fina capa de grafito para reducir la fricción.

MATERIALES

Para superficies de deslizamiento, emplear hoyuelos de PTFE virgen sin relleno ni lubricación. Para pernos de anclaje emplear AASHTO M314 (Gr 35, 55 ó 105) tipo I y tipo II. Emplear tuercas ASTM A563 y anillos ASTM F436 Los pernos de anclaje, tuercas y anillos deben ser galvanizados. Para guías, emplear ASTM A709, pintado o galvanizado.

Los apoyos más ampliamente empleados en USA hoy en día son los Apoyos Multirotacionales para Cargas Elevadas: • Encapsulados (pot bearing) (han presentado problemas de

mantenimiento en el pasado y aún no están libres de ellos)

• Esféricos (mayor capacidad de rotación y el menor registro de problemas de mantenimiento)

• Discos (hasta 1992 un patente con un solo fabricante) PTFE/Elastomeric se emplean en estructuras con grandes desplazamientos

PTFE polytetrafluoroethylene

Bearing Pots (apoyos encapsulados)

Como la tendencia del diseño exige cada vez luces mayores y menos juntas por razones sísmicas, y además se construyen puentes curvos y esviados (sesgados), las demandas sobre los apoyos se han incrementado.

POT BEARINGS (apoyos de recipiente / encapsulados)

Estos apoyos permiten rotaciones de la estructura debido a la deformación de un disco elastomérico con baja resistencia a la deformación. Pueden emplearse para cargas de hasta 7500 ton y pueden almacenarse a temperaturas de -35°C hasta +50°C

Freyssinet desarrolla apoyos encapsulados desde 1960. Tipos: Fijos De expansión guidada De libre expansión

Rotación 0.01 rad en servicio Esfuerzo en el concreto en servicio: 230 kg/cm2

Apoyos de Disco

El Uretano soporta hasta el doble de esfuerzos que los apoyos elastoméricos de neopreno (35 MPa), tiene mayor resistencia química y frente al ozono. El pasador transmite el total de la fuerza cortante. El anillo de borde limitaba la extrusión del uretano.

Desde 1970

Deformac. plásticas luego de 20 veces

(1938)

DISC BEARINGS (apoyos de disco)

Para mejorar el rendimiento a largo plazo de apoyos multirotacionales de alta resistencia, se prefiere el uso de discos en lugar de cápsulas. Estos tipos de apoyo pueden ser fijos o de expansión unidireccional El acero debe ser AASHTO M270 50W (345W) o Grado 50 (345)

DISC BEARINGS (apoyos de disco)

DISC BEARINGS (apoyos de disco)

SPHERICAL BEARINGS (apoyos esféricos) Permite grandes rotaciones y baja resistencia. Una superficie adicional de deslizamiento causará un apoyo sin restricciones.

Permite mayores rotaciones que los apoyos encapsulados.

DISPOSITIVOS DE APOYO

Debe preverse que a futuro pueda ser necesario gatear las vigas para reparar o mantener los dispositivos de apoyo.

En estructuras curvas en planta, la expansión térmica causará un movimiento de traslación a lo largo de una cuerda (desde la ubicación del apoyo fijo hasta el apoyo en consideración). En estos casos, el grado de curvatura y el tipo de dispositivo empleado son factores claves para determinar este efecto.

DISPOSITIVOS DE APOYO

Se debe investigar si el alineamiento del dispositivo debe ser o no perpendicular a la cuerda. Se debe verificar las traslaciones y rotaciones de los apoyos elastoméricos convencionales y si no son inadecuados, se debe emplear apoyos de mejor performance como de MULTI ROTACIÓN tal como POT BEARING (apoyos encapsulados).

Apoyo elastomérico (POLICLOROPRENO - Neoprene)

Comportamiento no lineal

LEY DE HOOKE GENERALIZADA

ex = sx

E + -

sy

E m -

sz

E m + a DT

ey = sy

E + -

sx

E m -

sz

E m + a DT

ez = sz

E + -

sx

E m -

sy

E m + a DT

= sx - E

1 [ ] ( sy m + sz ) + a DT

Válido para Deformaciones pequeñas --- resistencia de materiales

n E eq

0.45 4

0.46 5

0.47 6

0.48 9

0.49 17

0.495 34

0.497 56

0.4992 209

Almohadillas de Apoyo Clase AASHTO

DENOMINACIÓN

MATERIAL

Polychloroprene (neoprene) : compuesto de caucho sintético (1930)

Norma AASHTO M-251 Dureza Shore A (Hardness) 50, 60, 70 +/- 5 pts G= 130psi a 200psi (9 a 14 kg/cm2) Resistencia a la tensión 2500 psi mín (176 kg/cm2 mín) Alargamiento 350% mín.

Dispositivo estructural que transmite carga y permite la traslación y rotación.

ZONAS DE BAJAS TEMPERATURAS

ELECCIÓN DEL GRADO

A B C D E

Temperatura más baja en 50 años (°F) [°C] 0-20

[-29]

-30

[-35]

-45

[-43]

< -45

[-43]

Máximo número de días consecutivos en

que la temperatura no subió encima de

32°F (0° C)

3 7 14 NA NA

Mínimo GRADO del elastómero a emplear 0 2 3 4 5

Mínimo GRADO del elastómero cuando se

incorporan provisiones especiales de

fuerzas

0 0 2 3 5

Los apoyos de 13mm de espesor (1/2’’) o menos, deben ser elastoméricos. Los apoyos de espesores mayores, deben ser laminados (compuestos por capas alternadas de elastómero y refuerzo de acero íntegramente unidas entre sí). Empleados desde 1955 Los bordes del metal de refuerzo deben estar cubiertos con 6mm de elastómero. Apoyos elastoméricos deslizantes: Consisten de una plancha metálica superior y superficie de contacto de acero inoxidable sobre una almohadilla rodeada de una capa de POLYTETRAFLUOROETHYLENE .

Las láminas de acero deben ser de 3mm Las planchas superiores de acero deben ser de acero A36.

Método A: se especifica dureza y grado Método B: se especifica el módulo de corte y el grado. Las bajas temperaturas rigidizan el neopreno, por lo que los componentes de los puentes se diseñan para 2 veces hasta 4 veces las fuerzas calculadas.

Desplazamientos debidos a: • Temperatura • Acortamiento debido a preesfuerzo • Contracción • Flujo plástico • Sismos • Rotaciones producidas por cambios en curvatura • Carga viva • Desalineamientos de apoyos

CONSIDERACIONES ADICIONALES - PARA UN APOYO MÓVIL (EXPANSION)

Determinar desplazamiento longitudinal y transversal Rotación longitudinal, transversal y vertical Cargas longitudinales, transversales y verticales

q

q q

CRITERIOS DE DISEÑO PARA UN APOYO MÓVIL (EXPANSION)

q

q q

D = 0.00165 q D = 0.00054

L = 0.00066 q L = 0.00035 q

Creep

Delaminación

Pérdida de adherencia

CRITERIOS DE DISEÑO PARA UN APOYO MÓVIL (EXPANSION)

Costos de Apoyos Elastoméricos (USA 2014)

Apoyos elastoméricos $ 0.80 / in3 Apoyos elastoméricos laminados $ 1.00 / in3 Acero inoxidable / Teflón / Disco / Esféricos $ 25 / kip

Ejemplo para un apoyo cuya carga de servicio es 360 Ton: A. Elastomérico laminado: 475mm * 725mm * 280mm $ 5 000 Apoyo en encapsulado: $ 18 000

DISPOSITIVOS DE APOYO MODERNOS

AISLADORES SÍSMICOS

LEAD RUBBER BEARING - SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMICO

LEAD RUBBER BEARING - SISTEMAS DE AISLAMIENTO SÍSMICO

Triple péndulo

Earthquake Protection Systems, Inc.

Péndulo simple

Earthquake Protection Systems, Inc.

Earthquake Protection Systems,

Inc.

Aislador de Triple Péndulo

Aislador de Péndulo Simple

AISLADORES DE PÉNDULO DE FRICCIÓN

Fuente: GRISA . Colombia. 2007

AISLADOR DE PÉNDULO DE FRICCIÓN

Fuente: GRISA . Colombia

Fuente: Ing. Jorge Rendón, 2009

AISLADORES DE TRIPLE PÉNDULO DE FRICCIÓN

Y para terminar, un dispositivo de gran capacidad

Aislador de Péndulo Simple de 9 000 Toneladas de Capacidad de Carga Vertical

Earthquake Protection Systems, Inc.

¡ Muchas Gracias por su atención !