Amortiguadores de fluido viscoso para puentes (VFD): principio de funcionamiento, aplicación y estándares internacionales

Un amortiguador de fluido viscoso de puente típico se compone de un cilindro, un pistón, un orificio de amortiguación, un vástago de pistón y componentes de sellado de alto-rendimiento, con su interior lleno de aceite de silicona de larga-vida útil-resistente a altas{{1}temperaturas y larga-vida{3}}que actúa como medio de amortiguación. Cuando un puente sufre un desplazamiento debido a actividad sísmica, cargas de viento o impacto de vehículos, se produce un movimiento relativo entre el pistón y el cilindro. Este movimiento relativo obliga al fluido viscoso dentro del amortiguador a pasar a través de los canales de amortiguación a alta velocidad, y la resistencia al flujo generada durante este proceso disipa la energía de la vibración estructural en calor, que luego se libera a la atmósfera para reducir las vibraciones estructurales.

Una característica clave de los VFD para puentes es su falta de rigidez estática, lo que significa que no alteran el período de vibración natural de la estructura del puente. Esto es fundamental para mantener el rendimiento estructural original y al mismo tiempo proporcionar disipación de energía. Además, estos amortiguadores cuentan con una curva de histéresis completa y estable, lo que les permite alcanzar una eficiencia de disipación de energía superior al 90%, lo que los hace altamente efectivos para mitigar varios tipos de vibraciones estructurales.

Funciones principales y escenarios de aplicación

1. Protección sísmica

Los VFD de puentes desempeñan un papel vital en la protección sísmica al consumir energía sísmica de manera eficiente. Reducen el desplazamiento de las vigas del puente y la fuerza interna ejercida sobre los pilares, evitando así daños a los cojinetes y minimizando el riesgo de que las vigas del puente se caigan de sus soportes. Estos amortiguadores se instalan ampliamente entre la viga principal y los pilares o estribos para proporcionar protección sísmica específica.

2. Control de vibración del viento

En el caso de puentes atirantados-de tramos largos-y puentes colgantes, las vibraciones inducidas por el viento-como las vibraciones y el aleteo inducidos por vórtices-pueden afectar significativamente la seguridad estructural y la comodidad de conducción. Los VFD suprimen eficazmente estas vibraciones y también mitigan la vibración de los cables atirantados inducida por la lluvia-viento, mejorando tanto la comodidad de conducción como la vida útil de la estructura del puente.

3. Liberación por desplazamiento de temperatura

Los puentes se expanden y contraen con los cambios de temperatura, y los VFD permiten este libre movimiento sin generar estrés térmico adicional que podría dañar la estructura. Al mismo tiempo, restringen las vibraciones de baja-frecuencia causadas por el frenado del vehículo y el impacto de las juntas de expansión, protegiendo aún más el puente del desgaste a largo plazo.

4. Adaptación del tipo de puente ancho

Los amortiguadores de fluido viscoso son muy versátiles y adecuados para una amplia gama de tipos de puentes, incluidos puentes atirantados-, puentes colgantes, puentes de vigas continuas, puentes de estructura rígida, viaductos urbanos y puentes ferroviarios. También se pueden usar en combinación con soportes de aislamiento sísmico y dispositivos de restricción para formar un sistema de protección estructural de múltiples-niveles, mejorando la seguridad estructural general.

Principio de instalación y diseño

Los amortiguadores de fluido viscoso de puente suelen utilizar placas de oreja bilaterales y conexiones de bisagra esféricas, que permiten la adaptación a los ángulos de rotación estructurales. Se instalan simétricamente en la dirección longitudinal entre el extremo de la viga y el pilar, y se disponen transversalmente entre la parte inferior de la viga cajón de acero y la tapa doblada para controlar el desplazamiento lateral de manera efectiva.

Las reglas clave de diseño para los VFD incluyen garantizar que el eje de la compuerta sea consistente con la dirección de la deformación estructural para evitar cargas excéntricas, usar conexiones de bisagra esféricas para acomodar las desviaciones del ángulo de instalación, reservar suficiente espacio de mantenimiento y adoptar diseños de sellado anti-anticorrosión y polvo- de alto grado para extender la vida útil de la compuerta.

La aplicación global de los VFD para puentes está dominada por tres sistemas estándar principales: las normas europeas EN, las normas estadounidenses AASHTO/ASTM/ICC-ES y las especificaciones japonesas para puentes de carretera. Estas normas regulan todos los aspectos de los VFD, incluido el diseño, la selección de materiales, los indicadores de rendimiento, las pruebas de fatiga, la adaptabilidad de la temperatura y la inspección de fábrica, y son requisitos esenciales para las certificaciones CE, ICC-ES y JSSI.

1. Normas Europeas (Certificación CE Obligatoria)

EN 15129:2009 Dispositivos sísmicos: requisitos de rendimiento y métodos de prueba

Este es el estándar básico de la UE para amortiguadores dependientes de la velocidad, cojinetes de aislamiento sísmico y dispositivos anticaída de puentes-y es obligatorio para que el marcado CE ingrese a los mercados de la UE y el EEE.

La norma define los VFD como amortiguadores pasivos dependientes de la velocidad-sin rigidez estática. Para los materiales, se requiere que el fluido amortiguador no sea-tóxico, no-inflamable y químicamente inerte, siendo el aceite de silicona (punto de inflamación mayor o igual a 340 grados) la opción preferida. El cilindro y el vástago del pistón deben estar fabricados en acero aleado de alta-resistencia con cromado duro, y la rugosidad de la superficie debe cumplir con la norma EN ISO 4287, con una rugosidad máxima de 3μm.

Los indicadores básicos de rendimiento especificados por EN 15129:2009 incluyen una desviación de la fuerza de amortiguación de no más de ±15 % bajo diferentes velocidades y frecuencias, una desviación de rendimiento de no más de ±15 % dentro del rango de temperatura de -25 grados a +50 grados, la capacidad de resistir el 150 % del desplazamiento de diseño sin sufrir daños y una presión interna de al menos 1,5 veces la presión de diseño. Para lograr durabilidad a la fatiga, el amortiguador no debe presentar fugas de aceite después de 20.000 ciclos, con una atenuación del rendimiento no superior al 10 %.

Las pruebas obligatorias de cumplimiento incluyen pruebas de curva de histéresis (F-D), pruebas de relación fuerza-velocidad (F-V), pruebas de ciclo de temperatura, pruebas de fatiga, pruebas de desplazamiento último y pruebas de presión de sellado.

Otros códigos europeos relevantes

EN 1998-2 (Eurocódigo 8): Este código de diseño sísmico de puentes especifica los principios de disposición de los VFD y el cálculo de la relación de amortiguación equivalente, recomendando una relación no inferior al 20 %.

EN 1337: esta norma sobre soportes para puentes proporciona orientación sobre la aplicación coincidente de VFD y soportes estructurales.

2. Normas Americanas (AASHTO / ASCE / ASTM / ICC-ES)

Los estándares estadounidenses se adoptan ampliamente en Norteamérica, Oriente Medio y en proyectos de licitación internacionales, con requisitos estrictos sobre rendimiento sísmico, adaptabilidad a bajas-temperaturas y vida útil ante la fatiga.

Especificaciones AASHTO

Especificaciones de diseño de puentes LRFD: Esta especificación especifica que el exponente de velocidad para los VFD debe estar entre 0,3 y 0,5 y define el método de diseño sísmico y los límites de desplazamiento para los amortiguadores.

Guía de diseño de aislamiento sísmico: esta guía regula las reglas de evaluación para la fuerza del amortiguador, el desplazamiento, la resistencia a la temperatura y el rendimiento a la fatiga.

Normas ASTM

ASTM E2126: esta norma proporciona un método de prueba unificado para amortiguadores estructurales, que cubre el rendimiento de histéresis, pruebas de fatiga y calibración de parámetros mecánicos.

ASTM A370: esta norma especifica los requisitos de prueba de propiedades mecánicas para las materias primas utilizadas en la fabricación de cilindros y vástagos de pistón.

Criterios de certificación ICC-ES

AC156: esta norma de aceptación para dispositivos de amortiguación no-estructurales cubre la resistencia al envejecimiento, la resistencia al fuego y la estabilidad-a largo plazo de los VFD.

AC494: esta norma especial para amortiguadores estructurales de puentes requiere un mínimo de 50 000 ciclos de fatiga, un desplazamiento último de hasta el 200 % del valor de diseño y una resistencia a bajas-temperaturas de hasta -40 grados.

3. Normas japonesas para puentes de carretera

Los estándares de puentes de Japón son reconocidos por sus estrictos requisitos de precisión y vida útil ultra-larga, lo que los hace particularmente adecuados para proyectos en zonas altamente sísmicas-. Los requisitos clave incluyen un exponente de velocidad controlado entre 0,2 y 0,4, una desviación de temperatura de la fuerza de amortiguación limitada a ±10%, una vida útil de diseño de no menos de 75 años, una tasa de fuga de aceite anual de no más de 0,1% y una tolerancia de instalación de construcción controlada dentro de 2 mm.

Comparación de parámetros clave estándar internacional

Comprender las diferencias en los parámetros clave entre los estándares internacionales es crucial para garantizar el cumplimiento en proyectos globales. La siguiente tabla compara los requisitos básicos para los VFD de puente según los principales estándares internacionales:

Consejos para la certificación y la solicitud de proyectos globales

Mercado de la UE: para ingresar al mercado de la UE, los VFD puente deben pasar la certificación CE EN 15129, que incluye control de producción en fábrica (FPC) para garantizar una calidad constante del producto.

Mercado de América del Norte: se requiere el cumplimiento de los estándares de diseño AASHTO y un informe de evaluación ICC-ES AC494 para los VFD utilizados en proyectos de puentes en América del Norte.

Proyectos internacionales en zonas de alta-zona sísmica: para proyectos en zonas de alta-sísmica, se recomienda adoptar los parámetros más estrictos entre los estándares europeos, americanos y japoneses para cumplir con los requisitos de licitación y los criterios de aceptación del propietario.

Documentación técnica: los fabricantes deben proporcionar documentación técnica completa, incluidas curvas de fuerza-velocidad (F-V), informes de pruebas de histéresis, datos de pruebas de rendimiento de temperatura y resultados de detección de fatiga, para revisión técnica durante la licitación y aceptación del proyecto.