7/24/2019 Implementacion de Aisladores Sismicos y Disipadores de Energia en Puentes de Japon
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Implementacin de aisladores ssmicos
y disipadores de energa
en Puentes de Japn
Freddy Duran, Ph.D
Colegio de Ingenieros del Per
Lima, 27 de Mayo del 2015
Toda la informacin tiene derechos reservados de los respectivos autores,
Su uso en esta presentacin es solo con fines educacionales
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Danos ssmicos en los apoyos de puentesEn los 60s
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DANOS OCURRIDOS CUANDO EL EFECTO SISMICO
NO FUE CONSIDERADO O POBREMENTE CONSIDERADO
SISMO DE NIIGATA DE 1964
DESARROLLO DE DISPOSITIVOS DE APOYO
PARA EVITAR LA CAIDA DE TABLEROS
Falla del anclaje
F. Duran C.
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EMGRE SuuS >+=
=Ru
=G
u
LuGG
=
=G
lSEM 005.0+7.0=
Deformacin del suelo para el diseo (0.0025, 0.00375, 0.005)
Desplazamiento del tablero respecto a la base de la subestructura
ES
Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas
por la deformacin ssmica del suelo
Verificacin de los asientos de apoyo
F. Duran C.
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Ejemplo: Longitud de los asientos de apoyo
=Gu
=G
Deformacin del suelo para el diseo 0.005
ES
Desplazamiento relativo entre 2 subestructuras inducidas
por la deformacin ssmica del suelo
Datos: desplazamiento relativo del cabezal del pilar
005.0=G
m0.3=L0.005=uG
muu GR 8.0=+=SE
lSEM
005.0+7.0= mlSEM 85.0=005.0+7.0=
Por lo tanto:
LuGG
=
muR 5.0=
EMGRE SuuS >+= mSE 85.0=
F. Duran C.
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Implementacin de la proteccinssmica en los apoyos
de puentes en los 70s
F. Duran C.
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Ejemplo de implementacin de amortiguadores
viscosos (70s)Metropolitan Expressway,Tokyo
Sliding bearings disipan energa con el periodo natural controladospor cables pretensados entre el tablero y la subestructura
F. Duran C.
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Danos Ssmicos en Puentes causados porEl terremoto de Kobe en 1995
F. Duran C.
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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 restauracin
Su uso exclusivo terminara en un dislocamientodespus de un sismo y continuara dislocndose
durante las replicas DEBIDO A SU SUPERFICIE
DE DESLIZAMIENTO PLANA.
El Sistema del Pndulo de Friccin (FPS) modifico la
superficie de deslizamiento a una superficie curva.
Durante el movimiento lateral este se levantaverticalmente produciendo una fuerza de restauracin.
F. Duran C.
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Mecanismo de colapso de puentes (Sismo de Kobe 1995)
F. Duran C.
K. Kawashima
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Vulnerabilidad de apoyos mviles y fijos
Sismo de Kobe 1995
F. Duran C.
K. Kawashima
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Falla en los apoyos de puentes
Sismo de Kobe 1995
F. Duran C.
K. Kawashima
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F. Duran C.
K. Kawashima
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Despus del sismo de Kobe de 1995, se recomend
el uso de Apoyos elastomericos (con goma vulcanizada)
incluyendo LRB y HDR.
Se incremento la fuerza de diseo de los dispositivos de apoy
Los dispositivos de apoyo de acero
tenian las siguientes deficiencias:
Resistencia insuficiente
Debilidad en estructuras con insuficiente capacidadde resistencia lateral
Insuficiente longitud de movimiento
Antes de 1995 el 98% de los dispositivos de apoyo
fueron de acero
Ahora el 90% de los dispositivos de apoyo son elastomericosF. Duran C.
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Generalizacion de la proteccin ssmicaen los apoyos
de puentes despus de 1995
F. Duran C.
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2) Stoppers
1) Sujetadores con cables
Se extendi la longitud del asiento de los apoyos Se incorporo una conexin entre tableros adyacentes Se conecto el tablero a los pilares y estribos de puentes
Despus del Sismo de Kobe de 1995 se generalizo el uso de
sujetadores en los apoyos
F. Duran C.
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Instalacin de dispositivos
deslizantes de apoyo
F. Duran C.
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Instalacin de buffers de goma
F. Duran C.
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F. Duran C.
K. Kawashima
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Puente Takao
Junta de expansin
en el extremo del tablero
F. Duran C.
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Implementacin de aisladores sismicos en el
Puente Ohito (National Highway, Izu, Japon)
Longitud = 1.929 km, 66
F. Duran C.
K. Kawashima
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Viaducto Ichinomiya, Tomei expressway
F. Duran C.
K. Kawashima
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Reparacin ssmica con aisladores en puentes daados
F. Duran C.K. Kawashima
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Reparacin ssmica con aisladores en puentes daados
F. Duran C.
K. Kawashima
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Reemplazo de dispositivos
de apoyo de acero con
aisladores ssmicos LRB
F. Duran C.
K. Kawashima
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Puente existente Puente reforzado
Reforzamiento ssmico usando aisladores en los apoyos
F. Duran C.
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Instalacin de aisladores ssmicos en puentes
Dispositivo deslizante de apoyo
F. Duran C.
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Puente Turukawa,
Tomei Expressway
Aislador sismico F. Duran C.
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Reconstruccin de puentes colapsados
usando aisladores LRB
Original Reconstruido
20 tramos continuos
F. Duran C.
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Stoppers
Sujetadores con cables
F. Duran C.
K. Kawashima
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Filosofa de Diseo ssmico de Puentes
con aisladores y otros disipadores de energ
en Japn
F. Duran C.
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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 ssmica es generalmente diferente en la
direccin longitudinal y transversal de los puentes.
Diferencias conceptuales del
Aislamiento Ssmico en Edificacionesy Puentes
El concepto de aislamiento ssmico en Puentes es
Fundamentalmente diferente al usado en las edificaciones.
Caractersticas estructurales en Puentes :
F. Duran C.
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En un edificio, los aisladores ssmicos son instalados para
reducir las fuerzas de inercia actuantes en los elementos
estructurales encima de los aisladores.
En puentes, los aisladores ssmicos son instalados en los
apoyos de la superestructura para reducir las fuerzas de
inercia en los pilares transmitidas desde la superestructura .
Diferencias conceptuales del
Aislamiento Ssmico en Edificacionesy Puentes
F. Duran C.
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F. Duran C.
Esquema de un puente con aisladores
en los apoyos
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Espaciamiento de juntas en la direccin
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 TRANSMITIRUN NIVEL DE FUERZA CORTANTE QUE DANE LOS PILARES.
F. Duran C.
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Alta rigidez a niveles de deformacin bajos pero una rigidez
reducida a altos niveles de deformacin.
En la descarga cclica estos aisladores HDRB tienen una
curva histertica con significante amortiguamiento.
Aisladores de alto amortiguamiento (HDRB)
F. Duran C.
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F. Duran C.
Norma de diseo ssmico para
el asiento en los apoyos (HDRB)
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Implementacin de aisladores ssmicos para cambiar las
condiciones de apoyo de puentes simplemente apoyados
a puentes continuos
P t i i d t l
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Proteccin ssmica de puentes con el
uso de aisladores ssmicos
F. Duran C.
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Para asegurar que un puente cumpla con el comportamiento estructural
esperado debe cumplir con los siguientes requisitos:
Seguridad
Serviciabilidad
Durabilidad
F. Duran C.
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Aisladores Ssmicos en Puentes de Japn
Despus 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 delos dispositivos usados en las actuales
normas de diseo ssmico de puentes en
Japon. El sismo de Kobe acelero laimplementacin del aislamiento ssmico en
Puentes
F. Duran C.
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Aisladores Ssmicos en Puentes de Japn
Amortiguadores han sido usadosefectivamente para distribuir la fuerza
ssmica lateral de la superestructura a la
subestructura con desplazamientosrelativos debido a efectos trmicos,
creep y contraccin
La energa no es disipada en los stopers
de los amortiguadores.
Stopers de amortiguadores viscosos
F. Duran C.
Efecto del aislamiento ssmico
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Efecto del aislamiento ssmico
Desde la perspectiva del espectro de
aceleracion de respuesta
El incremento del periodo de vibracin del
puente reduce la fuerza de corte en la base
(pilares y cimentacion) F. Duran C.
Ef t d l i l i t i
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Efecto del aislamiento ssmico
Desde la perspectiva del espectro dedesplazamientos de respuesta
El incremento del periodo de vibracin del
puente reduce aumenta la demanda del
desplazamiento (apoyos de tableros, juntas,
servicio) F. Duran C.
Proteccin ssmica de puentes con el uso de
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Idealizacin de los mecanismos de disipacinde aisladores ssmicos
Proteccin ssmica de puentes con el uso de
aisladores ssmicos
F. Duran C.
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PRECAUCIONES con el uso de aisladores
ssmicos en puentes
El uso de aisladores ssmicos implica el
incremento del periodo natural PEROTAMBIEN CAUSA el incremento del
desplazamiento del tablero
Ejemplo:
Periodo con apoyos fijos = 0.8 seg
Periodo con aisladores ssmicos = 1.5 - 2 segDesplazamiento del Tablero = 0.3 - 0.7 m
F. Duran C.
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
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Como el espaciamiento en las juntas de
expansin es pequeo:
El desplazamiento grande debido a los
aisladores en los apoyos resultara en unacolisin entre tableros lo que causara una
gran fuerza lateral transferida de un
tablero a otro.
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
ssmicos en puentes
F. Duran C.
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
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Se recomienda que el periodo natural del
movimiento del tablero NO SEINCREMENTE EXCESIVAMENTE
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
ssmicos en puentes
Se debe poner nfasis en:
El incremento de la capacidad de energade disipacin, y
La distribucin de la fuerza lateral
ssmica de un tablero al mayor numero
de pilares posible. F. Duran C.
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
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Se recomienda que el periodo natural del
movimiento del tablero con aisladoressismicos en los apoyos sea EL DOBLE del
tablero sobre apoyos fijos
PRECAUCIONES con el uso de aisladores
ssmicos en puentes
Por lo tanto:
En el diseo Menshin, es posible que
ocurra desplazamiento histerticoinelstico en los pilares debido a que el
periodo no sea incrementado lo suficiente.
F. Duran C.
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El diseo de puentes con aisladores
ssmicos en los apoyos permite la
construccin de Puentes continuos devarios tramos con distribucin de la fuerza
lateral ssmica a los pilares
Aplicacin de aisladores ssmicosen puentes
Di d P t i l d
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Como el diseo del sistema estructural
depende de las caractersticas de losaisladores , se requiere un procedimiento
iterativo de diseo.
Diseo de Puentes con aisladores
ssmicos en los apoyos
Pasos del diseo iterativo:
Anlisis inelstico esttico del puente
con aisladores Anlisis de respuesta dinmico
inelsticoF. Duran C.
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Ejemplo de resultados de un anlisis
ssmico de un puente de 5 tramos
con aisladores ssmicos en los apoyos
F. Duran C.
Resultados del anlisis ssmico
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de un puente con aisladores
F. Duran C.
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El diseo de puentes con aisladores
ssmicos en los apoyos permite la
construccin de Puentes continuos devarios tramos con distribucin de la fuerza
lateral ssmica a los pilares
Aplicacin de aisladores ssmicosen puentes
F. Duran C.
MERCADO DE AISLADORES SISMICOS
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El Mercado de aisladores ssmicos es principalmentedistribuido con diversos modelos de:
Aisladores ssmicos LRB . Actualmente esta sin patente
nica, por lo que hay muchos fabricantes en el mundo
Aisladores ssmicos HDR. Algunos componentes estn
patentados, pero varios fabricantes tienen sus propiosmodelos, generalmente con similar nivel de
comportamiento mecnico.
Aisladores ssmicos planos (Flat Sliding Bearings) y
Aisladores con el sistema del pndulo de friccin (FPS).
Es patentado pero con licencias en muchas partes.
MERCADO DE AISLADORES SISMICOS
F. Duran C.
Diferencia entre el diseo de una estructura con
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aisladores ssmicos con otra estructura sin aisladores
ssmicos
Los aisladores ssmicos necesitan ser diseadosEl nivel de anlisis requerido es usualmente alto
El diseo de aisladores esta gobernado por un
pequeo numero de ecuaciones y no requieren un
anlisis numrico extensivo.
El comportamiento de los aisladores ssmicos esta
basado en la aproximacin de una masa, asumiendo
rgidos los pilares y estribos del puente o tambin
pilares flexibles con excentricidad de cargas. F. Duran C.
Evaluacin de Puentes con aisladores ssmicos
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Evaluacin de Puentes con aisladores ssmicos
La evaluacin de puentes con aisladores ssmicos en
los apoyos requiere de un anlisis dinmico de
respuesta espectral o tiempo-historia. Normalmentese efectan los 2 anlisis.
Si la no-linealidad esta restringida a los aisladoresssmicos 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 ssmicos para puentes:
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Proveedor de aisladores ssmicos para puentes:
Debido al continuo mejoramiento en la industria de
aisladores ssmicos:
Se debe asegurar un fabricante que pueda proveer
componentes de aisladores en el tiempo que se
requiera
Hay una variedad de aisladores ssmicos del tipo LRB
y HDRB para puentes en condiciones de carga
standard los cuales se comportan bien en nivelesrelativamente bajos de deformacin, ej. 25%.
Sin embargo, en zonas ssmicas se puede requerir
aisladores sismicos con niveles de deformacin 10 F. Duran C.
Hay una variedad de aisladores ssmicos del tipo LRB
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Hay una variedad de aisladores ssmicos del tipo LRB
y HDRB para puentes en condiciones de cargaestndar los cuales se comportan bien en niveles
relativamente bajos de deformacin, ej. 25%.
Sin embargo, en zonas ssmicas se puede requerir
aisladores ssmicos con niveles de deformacin 10
veces mas altos, hasta un 250%.
Por lo tanto:
La fabricacin de aisladores ssmicos con alta
capacidad de deformacin requieren condiciones defabricacin mas exigentes lo cual incrementa el costo
En este aspecto, son criticas las tcnicas de
pegamiento de las laminas de acero con la goma, as
como la limpieza del lugar de fabricacin. F. Duran C.
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Fabricantes de Aisladores ssmicos y disipadores de
energa para edificios y Puentes
F. Duran C.
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Durabilidad de Puentes aislados ssmicamente
Muchos de los aisladores ssmicos usan materiales
no tradicionales en ingeniera estructural tales como
el TEFLON.
Los ingenieros estructurales tienen en cuenta la vida
til de diseo de estos aisladores, que usualmente esde 50 aos o mas.
Por que 50 aos o mas?La respuesta ser tomando en cuenta el
comportamiento de dispositivos de apoyo
elastomericos en puentes de mas de 40 aosF. Duran C.
Durabilidad de aisladores ssmicos.
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(Los dispositivos de apoyo elastomericos estn compuestos por
capas de goma unidas a placas de acero)
Por que 50 aos o mas?
Teniendo en cuenta que los dispositivos de apoyo
elastomericos han sido usados satisfactoriamente en
los ltimos 50 aos
Ensayos de corte en apoyos elastomericos colocados enpuentes hace 40 aos indican que:
El incremento de la rigidez fue solo del 7%
La oxidacin ocurri hasta 10mm-20mm desde
su superficie.
Con la tecnologa actual de proteccin contra la
oxidacin y resistencia a la degradacin del ozono, es
factible esperar exceder los 50 anos de vida til F. Duran C.
D bilid d d i l d i
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Durabilidad de aisladores ssmicos.
Por que 50 aos o mas?
Actualmente todos los aisladores ssmicos sonfabricados con un proceso de vulcanizacin y
pegados en caliente sometidos a alta presin.
El proceso de curado para aisladores de gran
dimensin puede tomar mas de 24 horas
Continuacin.
Algunos dispositivos de apoyo son fabricados
con goma sinttica, usualmente neopreno.
El neopreno tiende a endurecerse con el tiempo
por esta razn el neopreno no se usa en
aisladores. Sin embargo hay que tener precaucin
con aisladores con goma sinttica
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Aisladores ssmicos de acuerdo a la actual
norma de diseo ssmico de puentes
en Japn
Tipos y aplicaciones
F. Duran C.
Aislador ssmico de ultra amortiguamiento de caucho
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Goma natural basada en una formulacin
especial, formulado por una serie de elementos de
amortiguamiento viscosos entre los elementos de
amortiguamiento de friccin. Alto rendimiento histertico.
Alto rendimiento de amortiguamiento,
Alta durabilidad
y laminas de acero (HDR-S),
F. Duran C.
Aislador ssmico de ultra amortiguamiento de caucho
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y laminas de acero (HDR-S),
F. Duran C.
Aislador ssmico de caucho y acero laminado con tapn
de plomo en el cojinete de caucho laminado (SPR) con
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Vulcanizacin unida a la capa de goma alrededor del
agujero,
Caucho de alto rendimiento de aislamiento ssmico
El efecto del muelle es estabilizar el comportamiento
durante la deformacin por corte,
Hay libertad de diseo de la altura aislador
Rendimiento estable por el efecto de retencin de plomo
de p o o e e coj ete de cauc o a ado (S ) co
un orificio cilndrico en el cojinete
F. Duran C.
Aislador ssmico de goma natural
l i d t
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Alta capacidad de carga,
Gran deformacin por corte y resistencia a la rotacin
Larga duracin manteniendo el funcionamiento establea largo plazo para la fuerza de corte requerida.
La unin firme de la goma con las laminas de acero
absorben bien la energa ssmica transmitida y reducen
la vibracin del aislador. Capacidad de deformacin plstica de acuerdo con la
deformacin de la goma laminada. Hay libertad para cambiar
el tamao de la clavija de plomo, y tamao del aislador y
algunas propiedades LRB. Fcil reemplazo y mantenimiento
con laminas de acero y con tapn
de plomo (LRB)
Aislador ssmico de goma natural con laminas de acero
y con tapn de plomo (LRB)
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y con tapn de plomo (LRB)
F. Duran C.
Aislador ssmico de goma natural con laminas de acero
y con tapn de plomo (LRB)
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y con tapn de plomo (LRB)
F. Duran C.
Aislador ssmico de goma natural con laminas de acero
y con tapn de plomo (LRB)
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y con tapn de plomo (LRB)
Aplicacin: Aisladores LRB en los apoyos de
tableros de concreto
F. Duran C.
Aisladores Ssmicos Hbridos (HB)
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Absorben el desplazamiento y rotacin del tablero del puent Estructura de soporte en el cojinete superior, y la porcin
de caucho laminado en la parte inferior.
Permite un diseo racional para mejorar el diseo ssmico
Reduccin del costo de construccin.
Capaz de acomodar una amplia gama de requerimientos
F. Duran C.
Aisladores Ssmicos DSF
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Modelo antiguo
F. Duran C.
Aisladores Ssmicos DSFGran rendimiento, fuerzas y deformaciones.
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Modelo actual1 mi
Gran rendimiento, fuerzas y deformaciones.
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 calidadde distribucin de fuerzas laterales
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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 F. Duran C.
Puente en Japan Highway, Tohoku
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Puente Kidobashi, Nagoya
Puente continuo de 8 tramos,
concreto postensado, Tablero de acero
Puente de 3 tres tramos simplemente
apoyados +14 tramos continuos,
Concreto postensado,
Tablero de seccion cajon
1392 m
F. Duran C.
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Dispositivos complementarios para mejorar
la proteccin ssmica enlos apoyos de puentes
F. Duran C.
Distribuidores de Fuerza Lateral DSF
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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.
4. Alto rendimiento a la carga ciclica.
Para puentes pequenos y medianos - Luces menores de 250 m
F. Duran C.
Distribuidores de Fuerza Lateral DSF
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Kumiyama viaducto (Region de Kinki)
Puente de 10 tramos de Concreto (290 m)
con losa de concreto
F. Duran C.
Sistema compuesto por aislador ssmico y resorte vertical
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Puede ser usado como aislador sismico tipo
LRB con mayor rigidez lateral que la
convencional
F. Duran C.
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Aisladores ssmicos en el mantenimiento
de puentes en Japn
F. Duran C.
Aisladores Ssmicos en el
Mantenimiento de Puentes
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F. Duran C.
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Implementacin de amortiguadores
(disipadores de energa)
en la proteccin ssmica de apoyosde puentes en Japn
F. Duran C.
Dispositivos de disipacin de energa
Amortiguadores Vicosos
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Fuerza de friccion vs Desplazamiento
del piston del amortiguador
Comportamiento histeretico con alto
grado de absorcion de energia
F. Duran C.
Dispositivos de disipacin de energa
Amortiguadores Vicosos
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Fuerza de friccion vs Desplazamiento
del piston del amortiguador
Comportamiento histeretico no variasignificativamente con el numero de
ciclos histereticos
La fuerza de friccion no es afectado
significativamente ante cambios
extremos de temperatura
F. Duran C.
Dispositivos de disipacin de energa
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Amortiguadores Vicosos KVD
Disipadores de energia, usan un cilindro hidraulicointerno con aceite para el mecanismo de absorcion
de energia
Alta capacidad de amortiguamiento debido a la altacapacidad 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 disipacin de energa
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 cilindrosresistentes a la torsion y deformacion
El material viscoso puede ser afectado por los cambios
extremos de temperatura
Su diseno tiene variedad de opciones. Tiene uncomportamiento 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
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Aplicacin:
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Dispositivos de disipacin de energa
en las juntas de expansin de los
tableros de puentesen Japn
F. Duran C.
Dispositivos de disipacin de energa en juntas de expansin
Alta d rabilidad e celentes propiedades
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Alta durabilidad y excelentes propiedadescontra la abrasion
Tipo 1: Para puentes pequeos y medianos
Cumple los estndares JaponesesGran capacidad de contraccin, expansin,
Resistente a la rotacin
Proteccin a la penetracin de agua
Expansion: 56-126 mm
F. Duran C.
Dispositivos de disipacin de energa en juntas de expansin
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F. Duran C.
Dispositivos para prevenir la cada de tableros
durante sismos fuertes
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F = 330 kN 2000 kN
Ejemplo: F = 330 kN 2000 kN, A= 208 mm2
slip : 36 mm
F. Duran C.
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Mantenimiento de Puentes
F. Duran C.
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Gracias
F. Duran C.