COMPORTAMIENTO CICLICO DE MARCOS CON

COMPORTAMIENTO CICLICO DE MARCOS CON DIAGONALES EN PUENTES DE ACERO
F. García Alvarez1, Ahmad M Itani2 e Ian Buckle3
1 Estudiante de Postgrado, Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Nevada, Reno
Mail Stop 258 Reno, NV 89557
[email protected]
Tel. (775) 784-6965 Fax (775) 784-1390
2 Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Nevada, Reno 89557
3 Profesor, Departamento de Ingeniería Civil. Universidad de Nevada, Reno 89557
RESUMEN
Se presenta el estudio experimental de un puente a escala (1:2.5) construido con placas de acero y una losa
de concreto conectada a las vigas por medio de pernos de cortante. Se pretende determinar el
comportamiento de los marcos en este tipo de estructuras bajo la acción de cargas horizontales cíclicas.
Dentro de la investigación también se presenta el ensaye de los miembros que conforman los marcos en
diagonal pero bajo carga axial esto con el fin de tener un punto de comparación entre el comportamiento
histerético de los miembros dentro del sistema y fuera de este.
SUMMARY
This paper outlines the experimental testing of a scaled steel girder bridge with X-Frames and a reinforced
concrete deck, which is attached to the girders by shear connectors. It is desire to determine the behavior of
X-Frames in these types of structures when subject to the action of cyclic lateral loads. In this investigation,
behavior of X-Frames components was tested under axial load. The objective of these axial components
test was to establish a point of comparison between the component and the overall system behavior.
INTRODUCCIÓN
Los puentes construidos con vigas de acero, que han tenido mucho éxito debido a la facilidad para cubrir
grandes claros sin requerir obra falsa, los convierte en una buena opción para la construcción de pasos a
desnivel en zonas urbanas. La diferencia significativa en peso de las estructuras de puentes con vigas de
acero y los puentes de concreto con sección cajón, tiene un papel importante en el diseño sísmico y en el
diseño de la subestructura.
Las fuerzas de inercia generadas por un sismo en puentes construidos con vigas de acero son mucho
menores que las que podrían presentarse en un puente con vigas de concreto. La reducción de las fuerzas
de inercia permite diseños económicos. En el detallado de los puentes de acero existe la capacidad de
introducir "fusibles" que permiten la liberación de energía bajo la acción de cargas horizontales,
permitiendo que la estructura primaria no entre en ningún tipo de comportamiento inelástico. Sin embargo,
durante sismos recientes (Northridge, Kobe) se ha puesto de manifiesto la vulnerabilidad de puentes con
placas de acero. Estos eventos sísmicos demostraron que los puentes construidos a base placas de acero
pueden sufrir daños graves y posibles colapsos, si éstos no son diseñados y detallados adecuadamente. Este
estudio está basado en puentes típicos construidos en los años sesentas, setentas y ochentas del estado de
California en los Estados Unidos de Norte América.
ANTECEDENTES
Las especificaciones para carreteras en los Estados Unidos de Norte América (AASHTO, 1992) no
contemplan en buena medida el diseño sísmico de puentes de acero y no ofrecen ayuda alguna para el
diseño de este tipo de puentes. El capítulo 7 de dichas especificaciones contiene sólo media página
referente a puentes de acero. En 1995, ingenieros del Departamento de Transporte de California (Caltrans)
iniciaron una nueva filosofía para el diseño sísmico de puentes de placas de acero que se basa en el análisis
de estado límite y en las deformaciones de la estructura. (Itani y Rimal, 1996)
Estudios previos
Un estudio experimental de marcos con diagonales fue desarrollado por El-Tayem y Goel (1986), donde
utilizaron un modelo a escala real bajo cargas cíclicas; y demostraron que los procedimientos de diseño
subestimaban la contribución de la diagonal en compresión ante la aplicación de cargas laterales.
Después del sismo de Northridge, Abolhassan Astaneh-Así (1994) realizó un estudio de 5 puentes
ubicados al Norte de la zona del epicentro; 4 diseñados y construidos durante la década de los sesentas y
uno más de 1928. El estudio está basado en la recopilación de datos después del sismo, visitas de
inspección estructural, estudios analíticos y evaluación del comportamiento de los puentes estudiados; su
objetivo principal fue tener un reporte post-sismo para determinar el estado de los puentes. Los puentes en
su mayoría constaban de dos claros estructurados por una losa de concreto soportada por vigas de acero a
base de placas interconectadas por marcos con diagonales.
La falla típica de estos puentes fue agrietamiento en la soldadura de algunas conexiones, fallas entre la
superestructura de acero y la subestructura de concreto. Casi no se detectaron daños en los elementos
principales de los puentes. El daño en anclajes se debió a fuerzas de cortante y tensión generadas durante
el movimiento.
En las conclusiones preliminares del estudio se establece que las conexiones entre la superestructura de
acero y la subestructura de concreto deberían ser más dúctiles, utilizando disipadores pasivos de energía y
que los soportes de concreto necesitan tener más acero de refuerzo para mantenerse en el rango elástico. En
puentes donde el eje longitudinal no era perpendicular con sus apoyos, los marcos diafragma (marcos que
se encuentran en los apoyos) deberían ser paralelos a la subestructura de concreto o apoyos y no
perpendiculares a la superestructura de acero.
En estudios recientes se comprobó que los elementos en diagonal que se utilizaban para poder construir el
puente y, que a su vez, ayudaban para el izaje, tenían un papel importante en la resistencia de cargas
laterales. Itani y Rimal (1996) estudiaron puentes típicos con placas de acero para determinar su respuesta
sísmica e identificar todos los elementos que intervienen en la distribución de las fuerzas sísmicas.
Las conclusiones de estos autores fueron que los elementos en diagonal localizados en los apoyos tienen un
papel primordial en la transmisión de fuerzas sísmicas de la subestructura hacia la superestructura. Los
elementos en diagonal que no se encuentran en los apoyos, también llamados intermedios, no contribuyen a
la respuesta de la estructura ante una solicitación dinámica y pueden ser eliminados de acuerdo con las
especificaciones LRFD-AASHTO.
También concluyeron que, debido a las fuerzas sísmicas, las anclas que se encuentran en los soportes
estaban sujetas a fuerzas axiales y cortantes; y estas fuerzas pueden ser obtenidas fácilmente calculando el
momento de volteo del puente.
En el estudio más reciente de marcos diafragma en puentes Mehdi y Bruneau (1999), estudiaron 8
especimenes, a escala real, con diversas configuraciones. La base del especimen eran dos perfiles
WWF1200x333 con longitud de 0.5 m y una separación de 2 m, una losa de concreto reforzado de 200 mm
de espesor conectada a las vigas por medio de pernos de cortante y atiesadores de 10 mm de espesor por
100 mm de base a cada lado de los perfiles. Las diferentes pruebas consistieron en marcos con diagonales y
conexiones atornilladas, conexiones soldadas con disipadores de energía tipo TADAS ( Triangular-Plate
Added Damping And Stiffness) y las diversas configuraciones entre éstos.
Los autores concluyeron que los especimenes, podían resistir deformaciones laterales plásticas bajo cargas
cíclicas sin los elementos en diagonal, pero que estos sistemas eran más flexibles y tenían menor capacidad
en disipación de energía presentando respuestas indeseables como: pandeo del alma de la viga, pandeo en
los atiesadores y fracturas en la soldadura de las conexiones. El especimen que mayor disipación absoluta
de energía presentó, fue el que estaba conformado por conexiones soldadas; mientras que el especimen
con el sistema TADAS disipó la mayor energía por ciclo. Por otra parte los especimenes con conexiones
atornilladas presentaron deslizamiento en las uniones, derivando esto en curvas de histéresis con bordes
agudos.
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
El objetivo de este estudio es determinar el comportamiento típico de los puentes que se construyeron
durante las décadas de los sesentas, setentas y ochentas. Dentro de la investigación, también se
desarrollarán pruebas de carga axial a los elementos que conforman los marcos en diagonal, para
determinar su comportamiento bajo cargas cíclicas y poder conocer las curvas de histéresis para,
posteriormente, comparar las curvas de comportamiento histerético obtenidas en la prueba de carga axial
con las curvas de histéresis obtenidas en la prueba del sistema completo. A la fecha, no hay ningún estudio
que presente evidencia experimental del comportamiento del sistema en conjunto de aquí la importancia de
este trabajo.
SELECCIÓN DEL PROTOTIPO Y ESPECIMEN.
El prototipo seleccionado tenía que ser un puente que cumpliera con las características de los que se
diseñaron y construyeron entre 1960 y 1980. Algunas de las características del prototipo elegido para este
estudio son las siguientes:
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Separación entre apoyos de 48.76 m (160 pies)
Separación entre vigas de 3.35 m (11 pies)
Voladizo de la losa de concreto en el sentido transversal del puente 1.44 m (4.75 pies)
Peralte de viga a base de tres placas soldadas 1524 mm (5 pies)
Espesor del alma 22.22 mm (7/8")
Ancho de los patines 457.2 mm (18")
Espesor de los patines 44.45 mm (1 3/4")
Losa de concreto reforzado de 219 mm de espesor (8 5/8")
El siguiente paso fue determinar el factor de escala con el cual se afectarían las dimensiones reales para
obtener las del especimen. El factor de escala que se utilizó dependió, no sólo de las dimensiones que
ocuparía el especimen dentro del laboratorio, sino también de las fuerzas necesarias para lograr
comportamientos inelásticos en la estructura y por los estudios que se desean hacer a este especimen en un
futuro. Después de estudiar diversas alternativas se seleccionó un factor de escala de 0.4
Para obtener los elementos en diagonal se revisó un estudio que había desarrollado el Departamento de
Transporte de California donde indicaba la fuerza necesaria para poder inducir desplazamientos elásticos en
el prototipo. A esta fuerza se le aplicó el factor de escala, con lo cual, se obtendría la fuerza para diseñar
los elementos en diagonal; así como las placas de conexión. Éstas ultimas diseñadas bajo el estado límite
de falla para garantizar que éstas se mantuvieran en la rama elástica de la curva esfuerzo-deformación del
material. Esto quiere decir que los elementos diagonales y las placas de conexión fueron los únicos
elementos, junto con los soportes, que no fueron escalados; sino que fueron diseñados para poder tener un
mejor control sobre el experimento.
Los elementos para soportar los extremos de las vigas fueron diseñados según las especificaciones de
diseño de puentes y son denominados Soportes Reforzados Elastoméricos.
DESCRIPCIÓN DEL ESPECIMEN
El especimen consta de dos vigas a base de tres placas soldadas, cuya longitud es de 18.28 m y peralte de
609.6 mm Los patines, tanto superior como inferior de la viga, están conformados por una placa de 184.15
mm y 19.05 mm de espesor; el alma de la viga es una placa de 9.52 mm de espesor. En el patín superior
de la viga se soldaron conectores de cortante de 100 mm de longitud y 12.7 mm de diámetro espaciados
457 mm y se colocaron atiesadores de 9.52 mm de espesor a cada 1524 mm
Las vigas están conectadas entre sí por medio de 7 marcos con diagonales; dos denominados diafragma
que se encuentran en los extremos del puente y 5 intermedios separados entre sí 3048 mm Todos los
marcos del puente están conformados por ángulos de lados iguales de 44.45 mm de patín y 6.35 mm de
espesor. En los marcos diafragma se localizan 2 ángulos en diagonal, 2 ángulos espalda con espalda en la
parte superior y 2 ángulos, también espalda con espalda, en la parte inferior del marco; las conexiones en
los marcos diafragma entre los ángulos diagonales, los ángulos horizontales y los atiesadores de las vigas
están dados por placas de conexión de 12.7 mm de espesor. En los marcos intermedios únicamente se
encuentran los ángulos en diagonal y un ángulo en la parte inferior; todos los ángulos conectados
directamente a los atiesadores. Todas las conexiones entre elementos diagonales, elementos horizontales,
placas de conexión y atiesadores son atornilladas con tornillos A490 de 12.7 mm de diámetro.
Soportes Elastoméricos
Los soportes elastoméricos constan de 2 placas de acero y una capa de material viscoelástico. La primera
placa de 25.4 mm de espesor se ancla a los cimientos del puente. La segunda placa es de material
viscoelástico. Sobre una tercera placa de acero de 19.05 mm de espesor se sueldan los patines del puente
para garantizar una completa interacción entre el puente, el soporte elastomérico y la cimentación.
La segunda capa está conformada por una placa de caucho cuyo Módulo de Cortante está en función de la
temperatura donde se ubica el puente. En nuestro especimen se determinó una temperatura promedio de
21°C, obteniendo un Módulo de 9.49 kg/cm2. Este soporte elastomérico de 25.4 mm de espesor, se
encuentra reforzado en su interior por 2 placas de acero de espesor 1.905 mm y separadas entre sí 12.7 mm.
Es importante señalar que las dos placas de refuerzo del caucho y las 2 placas de acero que conforman la
parte metálica del soporte están vulcanizadas entre sí.
Los soportes elastoméricos y la zapata están conectados por 4 anclas en cada soporte. Estas anclas están
empotradas 362 mm en el concreto y fueron diseñadas a tensión y cortante y su diámetro es de 19.05 mm.
La placa inferior del soporte elastomérico está atornillada a estas anclas.
Para conocer el comportamiento de estas anclas fueron instalados, a la mitad de la longitud de
empotramiento de cada una, medidores de deformación; de esta manera, se puede conocer la transmisión
de fuerzas a través de las anclas.
Las zapatas son de concreto reforzado (f'c=350 kg/cm2) con dimensiones de 2.74 x 1.21 x 0.45 m y están
sujetas a la losa de reacción del laboratorio utilizando barras de acero postensadas.
La aplicación de la carga lateral al especimen será por medio de dos actuadores MTS de 50 Ton cada uno y
558.8 mm de desplazamiento. Estos actuadores están ubicados en los tercios medios del claro y transfieren
la carga transversalmente al puente por medio de un canal C12 x 30 (304.8 mm y 44.45 Kg/m) soldado al
patín superior de las dos vigas y empotrado en la losa de concreto. Estos actuadores se encuentran sujetos
en su extremo opuesto a un bloque de reacción que, a su vez, está sujeto a la losa del laboratorio por medio
de barras de acero postensadas.
Prueba axial
Para tener un punto de comparación al momento de aplicar las fuerzas horizontales al especimen y después
de obtener las curvas de histéresis de los elementos diagonales en este, primero se ensayarán ángulos del
mismo grado bajo carga axial únicamente. Se desarrolló un sistema que permite la aplicación de cargas de
este tipo. Esta configuración consistió en 2 soportes y una guía; los tres asegurados al piso de reacción del
laboratorio por medio de barras de acero postensadas. El primer soporte, hecho con placas de acero y
atiesadores, sujeta al actuador (MTS de 50 Ton) que aplica la carga. El otro extremo del actuador se sujeta
a la guía, para mantener la en una línea de acción. El extremo opuesto de la guía se conecta a la barra que
se desea probar; esta barra estaba conectada en ambos extremos por placas de conexión similares a las que
se colocaron en el puente. El segundo soporte, también construido con placas de acero y atiesadores,
sujetaba el extremo opuesto de la barra a probar.
El propósito de esta prueba es poder comparar las curvas de histéresis obtenidas en la prueba del sistema
completo y las curvas de histéresis obtenidas de la prueba axial. Para tener la envolvente de la prueba axial
se probaran cíclicamente 10 ángulos del mismo grado al de los marcos con diagonales; 5 empezando con
compresión y llevándolos al pandeo y 5 en tensión hasta llegar a fluir el material. De esta manera, uniendo
ambos resultados, se pretende simular el comportamiento de las diagonales en el sistema lo cual será
comparo con los resultados del marco con diagonales.
FIGURAS
Fig. 1.- Planta del especimen. Se aprecia la localización de los marcos con diagonales, zapatas, actuadores
y bloques de reacción.
Fig. 2.- Elevación del especimen. Se aprecia el canal empotrado en el concreto por medio del cual se
aplicara la carga lateral al especimen, también se pueden ver las anclas empotradas en la zapata. El marco
que se aprecia en la figura es denominado Marco Diafragma.
Fig. 3.- Isométrico del especimen con actuadores, zapatas y bloques de reacción.
Fig. 4.- Fotografía de las vigas de acero, marcos con diagonales, placas de conexión, atiesadores y pernos
de cortante del especimen. Al fondo se aprecian los bloques de reacción que se utilizarán en el
experimento.
Fig. 5.- Fotografía del especimen montado sobre las zapatas. Se aprecia la obra falsa completamente
terminada y el acero de refuerzo. A la izquierda se aprecian los bloques de reacción donde se apoyaran los
actuadores.
Fig. 6.- Isométrico de la prueba axial. Se muestran el actuador, los soportes, la guía y el ángulo que se
desea ensayar. Los soportes y la guía se encuentran sujetos a la losa de reacción del laboratorio por medio
de barras de acero postensadas.
Fig. 7.- Fotografía de la prueba axial a los elementos diagonales. Se aprecia al fondo el actuador MTS de
50 Ton que se utilizara en el ensaye del especimen.
REFERENCIAS
Abolhassan Astaneh-Asi, B, Bolt, K. McMullin, R, Donikian, D, Modjtahedi, sung-Wook Cho. (1994)
“Seismic Performance of Steel Bridges During the 1994 Northridge Earthquake” Report number UCB/CESTEEL-94/01 Report to the California Department of Transportation
Adel A. El-Tayem, Subhash C. Goel (1986) “Effective Length Factor for the Design of X-Bracing
Systems”, Engineering Journal, AISC, First Quarter 1986
Ahmad M Itani, Jeremy Woodgate. (1999) “Displacement Ductility of Steel Members under Axial
Tension”, Journal of Testing and Evaluation, Enero 2000.
Ahmad M Itani, Prem P. Rimal (1996) “Seismic Analysis and Design of Modern Steel Highway
Connectors”, Earthquake Spectra, Vol. 12 No. 2 Mayo 1996
Roberts, J.E. (1992) “Sharing California’s seismic lessons”, Modern Steel Construction, July 1992
S.M Zahrai, M Bruneau. (1999) “Cyclic Testing of Ductile end Diaphragms for Slab-on-Girder steel
Bridges” Journal of Structural Engineering Vol 125 No. 9 Septiembre 1999.