APOYOS EN PUENTES

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
0
10
20
30
40
50
90
Ir
1.00
1.09
1.35
1.75
2.24
2.76
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
(1938)
Desde 1970
Deformac.
plásticas
luego de 20
veces
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.
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
1
sx
sy
sz
sx - m ( sy + sz ) + a DT
ex = +
- m
- m
+ a DT =
E
E
E
E
[
]
sy
sx
s
ey = +
- m
- m z + a DT
E
E
E
sz
sx
sy
ez = +
- m
- m
+ a DT
E
E
E
Válido para Deformaciones pequeñas --- resistencia de materiales
n
0.45
0.46
0.47
0.48
0.49
0.495
0.497
0.4992
E eq
4
5
6
9
17
34
56
209
DENOMINACIÓN
Almohadillas de Apoyo Clase AASHTO
Dispositivo estructural que transmite carga y permite la
traslación y rotación.
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.
ZONAS DE BAJAS TEMPERATURAS
ELECCIÓN DEL GRADO
A
B
C
D
E
-20 -30 -45 < -45
[-29] [-35] [-43] [-43]
Temperatura más baja en 50 años (°F) [°C]
0
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 D = 0.00165
q D = 0.00054
q L = 0.00066
q L = 0.00035
q
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
Péndulo simple
Earthquake Protection
Systems, Inc.
Earthquake Protection Systems, Inc.
Aislador de Péndulo Simple
Earthquake
Protection Systems,
Inc.
Aislador de Triple Péndulo
AISLADORES DE PÉNDULO DE FRICCIÓN
Fuente: GRISA . Colombia. 2007
AISLADOR DE PÉNDULO DE FRICCIÓN
Fuente: GRISA . Colombia
AISLADORES DE TRIPLE PÉNDULO DE FRICCIÓN
Fuente: Ing. Jorge Rendón, 2009
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 !