Efectos De La Temperatura En Puentes De Seccion Compuesta

EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN PUENTES DE SECCION COMPUESTA Ing. Arturo Martínez Ramírez, M.A.Sc Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Piura

Resumen Se estudia el efecto de la variación de la temperatura ambiental en puentes de sección compuesta. Durante la realización de pruebas de carga de varios puentes en el Norte del Perú, se pudo comprobar que la variación de la temperatura ambiental incrementaba los desplazamientos, llegando a ser hasta un 60% de los obtenidos por aplicación de la carga de prueba. Uno de los puentes ha sido modelado y calibrado con la finalidad de aplicarle un modelo de distribución de gradientes de temperatura. Este modelo es una modificación al planteado por Kennedy y Soliman (1987) y refrendado por pruebas de campo. Los resultados analíticos del modelo han sido comparados con los obtenidos durante la prueba de carga. Se encuentra buena correlación y se plantea incluir estos efectos en el diseño de puentes de sección compuesta en zonas de altas temperaturas.

Introducción Los efectos originados por la variación de temperatura en puentes de sección compuesta pueden ser importantes respecto a los causados por cargas muertas o vivas. Durante el último Fenómeno de El Niño, numerosos puentes de la región norte del país colapsaron debido principalmente a efectos de erosión de sus apoyos. Dentro de los planes de emergencia y reconstrucción se plantearon nuevos diseños los cuales han venido siendo construidos en los últimos años. Durante la etapa final de la construcción, se especifica la realización de una prueba de carga que básicamente busca comparar los desplazamientos que ocurren en la estructura debido a la aplicación de una carga de camión con los obtenidos durante el análisis estructural. El Laboratorio de Estructuras y Ensayo de Materiales de la Universidad de Piura (LEEMC-UDEP) ha realizado pruebas de carga para numerosos puentes recientemente construidos en Piura y La Libertad. Dentro de esta experiencia, se ha recogido información de campo que permite definir algunas características del comportamiento de los puentes respecto a la variación de temperatura ambiental. La mayoría de los puentes ensayados han sido construidos en sección compuesta y de un solo tramo. Otro grupo de puentes ha sido construido de concreto postensado y de varios tramos. NOMBRE UBICACION SOJO Sullana - Piura MANCO INCA Sullana - Piura PEDREGAL I Tambogrande – Piura PEDREGAL II Tambogrande – Piura MAKABI Paiján – La Libertad CHOLOCAL Trujillo – La Libertad SIMBAL Trujillo – La Libertad COTON Guadalupe – La Libertad TOCORORO Guadalupe – La Libertad Tabla 1: Relación de puentes probados

LUZ (m) 50 40 40 40 40 50 60 3x26 3x26

TIPO Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga acero – Losa concreto Viga postensada – Losa concreto Viga postensada – Losa concreto

El comportamiento ante variaciones de temperatura es muy visible para estos dos grupos de puentes. La Fig. 1 muestra la historia de deflexiones durante una prueba

de carga de un puente de sección compuesta. Dos aspectos merecen resaltarse. Primero, que un incremento en la temperatura ambiente aumenta las deflexiones, mientras que una disminución de la temperatura produce lo contrario, incluso lo lleva por encima de su posición original. Y en segundo lugar se aprecia un desfase entre los tiempos de máxima temperatura y de máxima deflexión. Dependiendo del nivel de variación de temperatura, este desfase puede ser de hasta 6 horas.

Foto 1: Vista general de la realización de la prueba de carga.

Desfase

Desfase

Deflexión adicional por temperatura

Fig. 1: Historia de deflexiones de puente de sección compuesta (Pte. Sojo, Piura)

En el caso de puentes de concreto postensado se observa un comportamiento similar. Sin embargo, el incremento de deflexión por acción de la temperatura es menor y el tiempo de desfase es mayor. La Fig. 2 muestra el comportamiento, indicando un tiempo de desfase mayor que en caso de puentes de sección compuesta.

Este comportamiento es atribuible a los diferentes niveles de retentividad del calor y a la velocidad con la que éste se pierde en cada uno de los materiales componentes. En el caso de puentes de sección compuesta, uno de los primeros estudios en este campo fueron efectuados por Emanuel y Leroy Husley (1978) quienes a través de un modelo de elementos finitos corroboraron la influencia de variables como el flujo solar, la conductividad térmica, transferencia de calor y la temperatura ambiente en la distribución de temperaturas en la sección transversal.

Fig. 2: Historia de deflexiones de puente de concreto postensado (Pte. Tocororo, La Libertad)

DESARROLLO DEL TRABAJO a) Modelo Analítico: El puente Sojo (Carretera Sullana-Paita) se ha escogido para efectuar este estudio. Con la información de la geometría y materiales recogidos en campo, se procedió ha elaborar un modelo de elementos finitos de la viga y de la losa. Este modelo presenta la suficiente conectividad para representar el trabajo compuesto de la sección. La carga representativa de dos camiones de 35 ton. se aplica al modelo y se verifica que la deflexión sea la obtenida en campo. Las Figs. 3 y 4 muestran el modelo y la deflexión calculada.

Fig. 3: Modelo de la estructura- Puente Sojo

Fig. 4: Deflexión bajo la aplicación de la carga de prueba.

b) Modelos de distribución de temperatura: Mc Clure et al. (1984) estudiaron la distribución de temperatura transversal, longitudinal y vertical en puentes de concreto. Encontraron que las distribuciones de temperatura transversal y longitudinal mostraban muy pequeña variación, posibilitando que el problema tridimensional del flujo de temperatura pueda ser reducido a un estado unidimensional en la dirección vertical. Zuk (1965) en un estudio de distribución de temperaturas en puentes de sección compuesta, encontró que la distribución vertical era casi lineal en la losa de concreto, mientras que en la viga de acero era prácticamente constante, siendo igual al gradiente de la temperatura ambiente. Algunos modelos de distribución de temperaturas han sido sugeridos a partir de este comportamiento observado. Los modelos de Berwanger (1970), y los recomendados en los códigos de diseño BS 5400 y DIN 1079 se muestran en las figs. 5 y 6.

Fig. 5: Distribución propuesta por Berwanger (1970).

Fig. 6: Distribución propuesta por (a) BS 5400; (b) DIN 1079.

Los modelos de distribución arriba indicados corresponden a secciones de puentes que no tienen una capa de carpeta asfáltica como la presente en el puente Sojo. Con la finalidad de determinar la influencia de la carpeta asfáltica, se hicieron mediciones de temperaturas en la sección del puente Sojo a través de termocuplas ubicadas en los puntos críticos de la sección. La Fig. 7 muestra los resultados obtenidos en los instantes de máxima y mínima temperatura ambiental.

Fig. 7: Distribución obtenida in situ. Pte. Sojo, Agosto 2,002.

En él puede observarse que la capa de concreto pierde temperatura a una velocidad menor que la viga de acero, mientras que ésta última se adapta rápidamente a la temperatura ambiente debajo del puente. También puede observarse el efecto aislante de la carpeta asfáltica la cual permite gradientes importantes en la carpeta sin que la losa de concreto se vea sometida a mayores gradientes. Un aspecto importante a resaltar es la diferencia de temperatura entre la parte inferior de la losa y la viga de acero. Este efecto es el que influye de manera importante en las deflexiones por variación de temperatura pues origina curvaturas hacia arriba en al caso (b) y hacia abajo en el caso (c). c) Modelo propuesto de distribución de temperatura: El modelo de distribución propuesto en el presente trabajo es una adaptación al presentado por Kennedy y Soliman (1987), el cual se muestra en la fig. 8. Sólo se considera el efecto de la losa de concreto y de la viga de acero, aunque algunos investigadores indican que el efecto de la carpeta como conformante de la sección compuesta también debería ser incluido.

Fig. 8: Distribución propuesta por Kennedy y Soliman (1987).

La Tabla 1 muestra los valores propuestos para la temperatura en los puntos críticos de la sección transversal del puente: Temperatura (ºC) Ubicación Sobre la carpeta asfáltica Interface carpeta/losa Debajo de la losa Viga de acero

Máxima Tw+19 Tw – 2º Tw – 3º Tw

Mínima Tw-3 Tw +4º Tw +6º Tw

Tabla 1. Modelo de distribución propuesto.

Donde Tw es la temperatura ambiental debajo del puente. En el presente trabajo, las temperaturas mínimas y máximas debajo del puente durante el momento de la prueba han sido obtenidas de los registros y se consideran como 21ºC y 35 ºC respectivamente. Es bueno anotar que estos valores extremos no corresponden a los máximos estacionales. Para efectos de determinar las máximas y mínimas deflexiones

durante cada estación es conveniente disponer de un registro de temperaturas horarias de la zona. d) Resultados: La distribución de temperatura propuesta y los valores máximos y mínimos de temperatura han sido incluidos en el modelo estructural del puente. La tabla 2 muestra los resultados obtenidos: Estado Máxima Temperatura Tw = 35ºC Mínima Temperatura Tw = 21ºC

Deflexión por temperatura (modelo) 10.2 mm

Deflexión total (modelo)

Deflexión total (campo)

30.9 mm

32.5 mm

-3.1 mm

17.6 mm

21.1 mm

Los resultados muestran una correspondencia cercana con los resultados obtenidos en campo. Sin embargo, para la simplicidad del modelo propuesto y los alcances de la modelación este resultado es aceptable. Sería recomendable considerar el efecto del desfase de los efectos térmicos en la cuantificación de los desplazamientos pues al hacerlo así los resultados analíticos se aproximan más a los obtenidos en campo. El modelo propuesto y los desplazamientos derivados de él deben ser considerados en los análisis de serviciabilidad del puente pues lo que originan es una pérdida de rigidez que si, bien es no constante, genera condiciones no apropiadas para los vehículos y podría generar vibraciones perjudiciales para los apoyos y demás elementos estructurales. Agradecimientos Este trabajo de investigación no podría haberse culminado sin el apoyo del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Piura y del aporte desinteresado del personal del LEEMC-UDEP y de alumnos de Ingeniería Civil.