Comportamiento de apoyos elastoméricos

Los aparatos de apoyo son los dispositivos que vinculan el tablero con las pilas y estribos, de modo que su diseño condiciona el comportamiento general de la estructura según el tipo y el grado de coacción.

Existen multitud de tipos de apoyos pero el más usado es de neopreno zunchado, el cual consiste en un caucho natural o sintético (habitualmente caucho cloropreno) con chapas de acero (habitualmente acero dulce) intercaladas y vulcanizadas con la goma.

En España, su diseño tradicional se realizaba en base a las recomendaciones del Ministerio de Obras Públicas [1], las cuales abordaban el problema desde una perspectiva de tensiones límite en servicio. Una buena guía de diseño en base a esta metodología se recoge en la publicación de la Asociación Técnica de Carreteras [2] y un complemento indispensable para la consideración del reparto de cargas horizontales es la nota técnica de la Dirección General de Carreteras [3].

Con la armonización de la normativa europea entra en vigor la norma EN1337 con una parte específica para el diseño de este tipo de apoyos [4], cambiando por completo la perspectiva de diseño puesto que se basa en deformaciones límites en rotura, aunque el fundamento del comportamiento mecánico permanecía prácticamente invariante. Una buena referencia para esta metodología de diseño es la guía técnica del SÉTRA [5].

En este marco, se plantean una serie de ensayos para comprender el comportamiento real de este tipo de elementos en sus estados límite, realizados en el laboratorio de estructuras de la ETSICCP de la Universidad de Cantabria. El contraste se realiza en tensiones puesto que son las tradicionalmente empleadas y se describe el fundamento teórico a continuación.

En cuanto a la deformabilidad vertical, el aparato es tanto más deformable en sentido vertical cuanto mayor es el grueso de capa unitaria. El zunchado es posible siempre que se mantenga la adherencia entre acero y neopreno. El estado tensional introducido en la chapa de zunchado es de bitracción y la tensión tangencial máxima se alcanza en el centro del borde correspondiente al lado más largo y allí es donde se inicia la rotura del aparato.

Las rotaciones impuestas introducen también tensiones tangenciales, y lo mismo ocurre con los corrimientos y las fuerzas horizontales. El correcto funcionamiento del apoyo exige pues una adherencia adecuada entre caucho y acero que se logra mediante vulcanización, tras un proceso de decapado de las chapas, cuya absoluta planeidad es fundamental.

Pero la principal virtud de estos apoyos es su deformabilidad bajo un esfuerzo cortante:

-   Distorsión angular:

-   Corrimiento resultante:

-   Rigidez horizontal:

La rigidez frente a acciones horizontales del dispositivo de apoyo es tanto mayor cuanto más alto sea G y el área de la placa, y tanto menor sea el espesor de caucho, e_n. Cuando este espesor tiende a cero, la rigidez se hace infinita que es la forma de expresar que el aparato de apoyo ha perdido su deformabilidad.

El valor de G del neopreno es doble para acciones instantáneas que para acciones de larga duración:

-   G ≈0,8-0,9 MPa para acciones de larga duración.

-   G ≈1,6-2,0 MPa para acciones de corta duración.

Puesto que los desplazamientos de los dinteles de puente se deben a causas inevitables, los apoyos deben estar concebidos para aceptarlos sin esfuerzos excesivos. La determinación del espesor necesario se realiza:

-   La distorsión angular queda limitada a 0,5 en la situación permanente del tablero, es decir, bajo la deformación impuesta total:

-   Bajo la combinación del corrimiento impuesto y la máxima acción horizontal debida a frenado, fuerza centrífuga, sismo, etc, la distorsión no debe superar 0,7

La más desfavorable de las dos condiciones anteriores determina e_n. A notar que el G de la última desigualdad es el correspondiente a cargas de cortas duración.

∆ y δ representan corrimientos relativos entre caras superior e inferior de la placa de apoyo, o sea movimiento relativo del dintel respecto a la cabeza de la pila.

La rotura del elemento se produce cuando la distorsión alcanza el valor de 2, esto es, cuando se produce la rotura del vulcanizado entre el caucho y la chapa, aproximadamente con una tensión tangencial de 7 MPa.

La planta de la placa se determina de la siguiente forma:

Llamando a la siguiente relación geométrica “factor de forma”:

La compresión media admisible del neopreno queda limitada en todo caso a 15 MPa para puentes de carretera y a 12 MPa para puentes de ferrocarril. Este valor de la carga admisible garantiza que el descenso vertical del bloque de apoyo no supera el 15% de su espesor total.

Por otro lado, se debe exigir una compresión media mínima de 3 MPa entre placa y hormigón en contacto para evitar fenómenos de reptación de la placa.

Cuando las dos desigualdades anteriores que limitan la planta no admiten solución, se determina por la máxima compresión media admisible, y se impide la reptación mediante anclaje o tacos de sujeción lateral.

Existe también una condición de estabilidad por la que el espesor de caucho no debe superar el quinto de la menor dimensión en planta:

El espesor mínimo de las chapas de armado está condicionado por el proceso de fabricación y por las tracciones que aparecen en la misma al aplicar un esfuerzo de compresión en el apoyo. Este espesor debe cumplir:

Para estimar la deformación frente a cargas verticales se puede adoptar que al entrar en carga por primera vez asienta 1 mm y, a partir de ahí, para solicitaciones crecientes:

Como se ha comentado anteriormente, el acortamiento vertical no debe exceder nunca el 15% de la altura que posea el apoyo.

A nivel experimental, se han realizado dos ensayos sobre los aparatos de apoyo 200x300x5(11,2+4), uno de rigidez vertical y otro de rigidez transversal.

El procedimiento del ensayo de rigidez vertical consiste básicamente en fijar el aparato de apoyo y someterlo de forma progresiva a compresión por medio de un cilindro hidráulico.

Figure 1. Ilustración del aparato de apoyo bajo una tensión normal de 3,33 MPa

Figure 2. Ilustración del aparato de apoyo bajo una tensión normal de 30 MPa

Figure 3. Ilustración del aparato de apoyo tras el ensayo

El procedimiento del ensayo de rigidez transversal consiste básicamente en fijar el aparato de apoyo y someterlo de forma progresiva a una fuerza horizontal por medio de otro cilindro hidráulico que produzca la distorsión del aparato de apoyo.

Figure 4. Ilustración del aparato de apoyo con una distorsión de tg(γ)=1

Figure 5. Ilustración del aparato de apoyo con una distorsión de tg(γ)=2

Figure 6. Ilustración del aparato de apoyo tras el ensayo

En primer lugar se muestra la comparativa realizada en el ensayo de rigidez vertical:

Figure 7. Contraste de resultados del ensayo de rigidez vertical

Se observa como el modelo teórico proporciona una aproximación lineal del asiento, ajustando resultados bastante reales para tensiones de trabajo elevadas pero se sobrestiman los asientos bajo cargas normales de trabajo y no se observa el asentamiento de ajuste inicial.

Y a continuación se muestran la comparativa de resultados del ensayo de rigidez transversal:

Figure 8. Contraste de resultados del ensayo de rigidez transversal

Se observa como de nuevo el modelo teórico proporciona una aproximación lineal del fenómeno, realizando un buen ajuste en la rama elástica de la distorsión hasta que se alcanza una distorsión angular sensiblemente igual a 2, momento en el cual comienzan a doblarse las láminas de acero, motivo por el que aumenta la rigidez. A nivel teórico, en ese punto debería producirse la rotura del vulcanizado entre la chapa y el caucho.

Destacar que los ensayos se han realizado bajo una carga progresiva del cilindro hidráulico que puede considerarse de larga duración, de modo que no representa el comportamiento frente a cargas de corta duración como el frenado de vehículos.

Por último, pero no menos importante, los ensayos se corresponden a cargas estáticas, de modo que no representan el comportamiento frente a cargas cíclicas que generan la patología más habitual y probablemente más grave que es la reptación del apoyo con su posible descalce. Información sobre mantenimiento, patología y reparación de estos elementos se puede encontrar en la monografía 18 de ACHE [6].

Referencias

[1] Recomendaciones para el Proyecto y puesta en obra de los apoyos elastoméricos para puentes de carretera. MOPU. 1982.

[2] Aparatos de apoyo de puentes. Asociación Técnica de Carreteras AIPCR. 1996.

[3] Nota técnica sobre aparatos de apoyo para puentes carretera. DGC. 1995.

[4] EN 1337-3:2005 Structural bearings – Part 3: Elastomeric bearings.

[5] Technical guide: Laminated elastomeric bearings. Use on bridges, viaducts and similar structures. Sétra. 2007.

[6] Monografía 18: Conservación de aparatos de apoyo, juntas y drenaje en puentes. ACHE. 2011.