Análisis Estructural de Un Puente en La Autopista Matanzas - Varadero. Modelación y Análisis de...

8/17/2019 Análisis Estructural de Un Puente en La Autopista Matanzas - Varadero. Modelación y Análisis de Su C

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Revista de Arquitectura e Ingeniería

E-ISSN: 1990-8830

[email protected]

Empresa de Proyectos de Arquitectura e

Ingeniería de Matanzas

Cuba

Pérez, Héctor Alfonso; Gómez Piloto, Eberto; Armas, Norbys de

Análisis Estructural de un Puente en la Autopista Matanzas - Varadero. Modelación y Análisis de su

Capacidad

Revista de Arquitectura e Ingeniería, vol. 0, núm. 0, abril, 2006

Empresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería de Matanzas

Matanzas, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=193915923005

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Análisis Estructural de un Puente en la Autopista Matanzas – Varadero. Modelación y Análisis de su Capacidad.

Prof. MSc. Ing. Héctor Alfonso PérezIng. Eberto Gómez PilotoIng. Norbys de ArmasEmpresa de Proyectos de Arquitectura e Ingeniería.Telf: (45)291802, Ext. 211.Correo: [email protected] [email protected] [email protected]

RESUMEN:

Se realizó la modelación de la estructura del puente Boca de Camarioca que se encuentra en laautopista Matanzas-Varadero con el objetivo de evaluar su comportamiento ante las nuevas cargasde transito que hoy circulan sobre él. Para ello se utilizo el programa SAP 2000 realizando 3modelos con diferentes objetivos: un primer modelo de estructura reticular espacial de todo elpuente que permite ver el comportamiento global de la estructura en su conjunto, un segundomodelo de estructura reticular espacial que abarca un tramo del puente sobre el que se pudiesenrealizar mayor numero de corridas y ver un grupo importante de efectos y líneas de influencia conmucho detalle y un tercer modelo en elementos finitos con estructura espacial para ver los efectostensionales que ocurren en puntos singulares como son los apoyos, zonas aligeradas y unión losaviga entre otros. Se realiza un análisis de la compatibilidad y coherencia de los modelos y de laganancia de precisión que se obtiene de uno a otro, así como los resultados obtenidos y sucorrelación con lo que en la realidad sucede en el puente hoy día.

Palabras Claves: elementos finitos , estructura, revisión, puentes, modelación.

INTRODUCCION

La autopista Matanzas-Varadero es la arteria vial que lleva al polo turístico de la playa Varadero enMatanzas. Esta autopista es una vía gravada por peaje y con un alto nivel de tránsito tanto deautos ligeros de turismo, autobuses de transportación de turistas y trabajadores del polo como devehículos de carga pesados que llevan avituallamiento para los hoteles y centros de recreo o de lasentidades constructoras con materiales y equipos. La vía tiene 4 puentes que son: Buey-Vaca,Canímar, Boca de Camarioca y el puente vasculante de la dársena de Varadero. De ellos el que enpeor estado técnico se encuentra es el puente Boca de Camarioca, objeto de este estudio.

ANTECEDENTES

Este puente fue diseñado en los años 50 según proyecto del Ing. Menéndez Menéndez. En dichoproyecto se utilizó la norma ASHTTO y sus vehículos de diseño H-10-44 y H-15-44. La estructuraes de vigas y losas de hormigón fundidas in-situ y esta compuesta por 5 tramos apoyados en

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cabezales sobre pilotes que están en buen estado. Cada tramo tiene 5 vigas, para un total de 25vigas en el puente, las cuales no son continuas sobre los cabezales y tienen un aligeramiento ensu tramo central mediante una zona en forma de vierendell. El tablero también es discontinuo sobrelos apoyos y trabaja aparentemente de manera solidaria con las vigas, por lo cual estas últimastienen forma de T. Las vigas se vinculan entre ellas por diafragmas que están en sus extremossobre los cabezales o en los puntos de comienzo del aligeramiento. Estos diafragmas sondiferentes por lo que existen 2 tipos de diafragma, con 2 diafragma de cada tipo en cada tramo.Sobre la losa de tablero existe una capa de hormigón asfáltico que sirve de rodadura para laautopista y por los laterales se soportan instalaciones eléctricas.

Este puente se ha visto sometido a 2 intervenciones grandes de reparación general por su pésimoestado técnico. En ninguna de las dos intervenciones se ha logrado restablecer la vida útil delpuente según sería necesario por el plan de mantenimientos previstos. Por otra parte es evidenteque las cargas de diseño del puente están sobrepasadas ampliamente en el parque vehicular quesobre él transita por lo cual es necesaria una revisión para dictaminar su seguridad.

CONCEPCION

Partiendo de toda la situación antes descrita se comenzó el proyecto de reparación del puente encuestión y como primeros pasos se plantearon los siguientes:

1. Levantamiento geométrico del puente.

2. Defectación preliminar.

3. Elaborar tarea técnica para que una entidad especializada realice el estudio de defectacióndetallado con los ensayos necesarios para dictaminar las perdidas de acero y secciones realesexistentes, resistencias de materiales y daños.

4. Paralelamente realizar un modelo del puente en computadora para evaluar su comportamientoy que sirviese de base para, una vez introducidos los valores de resistencia finales y áreas de

acero reales para poder evaluar la capacidad resistente de la sección.

5. Introducción al modelo de los resultados arrojados por las investigaciones de los materialescomponentes del puente y valoración de su estado técnico real.

6. Proyección de la reparación del puente según los resultados obtenidos en el modelo y losensayos de campo realizados.

Los pasos del 1 al 4 ya se encuentran realizados y se está en espera de que la ENIA Nacionaltermine los ensayos y entregue los resultados para el completamiento del trabajo.

En este trabajo nos vamos a centrar en el paso 4 que lo podíamos titular “Modelación del Puente”.

MODELACION

Para ello se utilizó el programa SAP 2000 en su versión 6.11. Para comenzar se construyó unmodelo de calibración que se componía de un sistema de vigas continuas y discontinuas condiafragmas de los cuales se tenía la solución teórica exacta. De esta forma teníamos la forma decomparar los resultados que se fuesen obteniendo para ver la respuesta del sistema de cálculos.En este proceso se tuvo que descartar el usar versiones más recientes del sistema SAP 2000(versión 7.12 y 7.21) pues la instalación que teníamos daba problemas con el cálculo para cargas


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móviles y sus resultados tenían altos porcientos de errores, de aquí que se decidiera proceder conuna versión, que si bien era un poco más vieja, daba resultados del todo fiables y sin error.

Se definió el sistema de cargas que está actuando sobre el puente y que nos diese miras a unreforzamiento de ser necesario o una seguridad en último caso para la circulación en un período detiempo lógico de 50 años más. Estas cargas estarían en función de la norma de cálculo que sevaya a usar posteriormente que será la ASHTTO en la versión de 1998. Por lo cual estas cargasserían:

• Peso Propio de la estructura: Es generado por el programa.

• Otras Cargas Permanentes:

Peso de la losa (en el modelo lineal)

Pavimento (8cm de hormigón asfáltico)

Barandas

•

Carga de Uso de la Acera: como el tramo tiene 30.6m≈

30.5m; q=293.4kg/m²

• Carga de viento: determinada según la norma cubana y aplicada a la primera viga en sotaventoy a la última en barlovento.

• Cargas móviles de explotación.

Las cargas móviles serían las del vehículo HS20-44 de la norma como lane y como cargasconcentradas bajo las ruedas y se diseñaría con la envolvente de la más desfavorable de estas.Esto es debido a que para pequeñas luces es más desfavorable la carga como vehículo pero paragrandes luces el lane de mayores solicitaciones y basándose en esto autores de prestigiointernacional recomiendan que se utilice la envolvente de ambas para el diseño.

Para construir los modelos necesitábamos unas características de los materiales, datos que noconocíamos por no tener los resultados de las investigaciones. Para salvar este punto se realizó unestudio bibliográfico de las resistencias usuales en la década en que fue construido yposteriormente se ajustarán a las reales existentes. Como no teníamos certeza de la cantidad dearmadura de acero que tenían las secciones se pidió al programa que calculara cuanto necesitabay de esta forma después podríamos comparar lo que teníamos contra lo que necesitábamos paraevaluar seguridad.

A partir de este punto se comenzó a construir el primer modelo representando todos los tramos delpuente y todos sus elementos por barras sobre las cuales se desplaza la carga móvil. La zonamaciza de la viga se representa por una barra con sus dimensiones geométricas y para la zonaaligerada se utilizó un sistema de pórticos y un montante de transición virtual entre la zona macizay los elementos de la zona aligerada, el cual tenía rigidez infinita y simulaba el cambio de sección.Dado que el cordón inferior de la zona aligerada está muy agrietado y con el hormigón disgregadose modeló como un elemento de acero el cual va a trabajar en tracción, este acero estárepresentado por las barras que se le colocaron a este elemento en su construcción para reforzarel hormigón. El modelo tiene 250 nudos, 380 barras, 1400 ecuaciones y 1250 líneas de influencia.Las cargas se colocan directamente sobre las vigas según la excentricidad y factor de distribuciónque pide el programa y la geometría planteada.

Como gran ventaja este modelo permite ver el trabajo del puente en su conjunto ante diferentescondiciones de carga y tener una idea global del fenómeno, pero dada la gran cantidad deecuaciones y líneas de influencia que debe calcular es inoperante para realizar un estudio


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detallado de cada miembro por lo cual su rango de valides se reduce a lo antes explicado y esnecesario un nuevo modelo.

Para resolver la problemática se modeló un solo tramo del puente partiendo del principio que cadatramo es isostático por lo cual es perfectamente posible la fragmentación. De esta forma queda enel modelo 5 vigas y 4 diafragmas modelados de igual forma que en el anterior, pero con un mayornúmero de puntos de salida de resultados por output para un mayor detallado. El modelo tiene 50nudos, 76 barras, 280 ecuaciones y 250 líneas de influencia. Las cargas se colocan igualmentesobre las barras.

De este modelo, que corre en mucho menos tiempo y se puede detallar mucho mejor podemosobtener las líneas de influencia y las envolventes de solicitaciones de cada elemento paradeterminar la seguridad y el posible reforzamiento. Sin embargo, es evidente que de un modelo debarras no vamos a obtener ninguna información sobre los fenómenos tensionales que ocurren enlas intersecciones de las vigas y los diafragmas, en las esquinas entrantes de los aligeramientos,en la unión entre la losa y la viga o en los apoyos de las vigas; puntos todos estos de gran interéspor su relevancia en el diseño y detallado. Por lo cual es necesario ir a un nuevo modelo para verestos puntos especiales que son necesarios evaluar.

Para este nuevo modelo se emplearon los elementos finitos con 4 tipos que conforman el tablero,

las vigas, los diafragmas o los elementos virtuales que son necesarios para modelar correctamentetodos los fenómenos que ocurren en los apoyos y otros similares. También se emplearonelementos tipo barras para el tensor metálico del cordón inferior de la zona aligerada y un elementobarra virtual para descargar las cargas móviles sobre él por requerimientos del sistema. En todoslos elementos virtuales se trabajó con peso propio nulo y rigideces nula o infinita según fuesenecesario para no introducir errores en el sistema. Se realizó un mallado regular variablepredominando elementos cuadrados de 50x50cm el cual se hace mucho más fino en los puntos aanalizar llegando a mallados de 12.5x12.5cm con transiciones de elementos triangulares.

Dado lo complejo del modelo se realizó para un solo tramo y resultaron 8428 nudos, 816 barras,8395 elementos finitos, 52738 ecuaciones y 5650 líneas de influencia. Este modelo requiere de unamáquina especialmente grande para correr y un considerable tiempo por lo cual nos concentramosen los fenómenos que nos interesaban de él, obteniendo los gráficos tensionales y parámetros

para comparar con los otros dos modelos y determinar su grado de coherencia con el resto de loanalizado.

En resumen se realizaron 3 modelos con diferentes objetivos:

• Un primer modelo de estructura reticular espacial de todo el puente que permite ver elcomportamiento global de la estructura en su conjunto.

• Un segundo modelo de estructura reticular espacial que abarca un tramo del puente sobre elque se pudiesen realizar mayor número de corridas y ver un grupo importante de efectos ylíneas de influencia con mucho detalle.

• Y un tercer modelo en elementos finitos con estructura espacial para ver los efectos

tensionales que ocurren en puntos singulares como son los apoyos, zonas aligeradas, uniónlosa viga y unión entre diafragma y la viga.

CONCLUSIONES


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Finalmente se compararon los resultados generales obtenidos entre los 3 modelos en cuanto arigideces y solicitaciones internas resultando perfectamente coherentes. La flecha máxima en elcentro de los modelos lineales resulta de 6.84cm mientras que en el modelo por elementos finitoses de 6.73cm, lo cual representa una diferencia de poco más de un milímetro (0.11cm) que es unadiferencia de 1.6% que es resultado de la mayor precisión que tiene el último modelo. De manerasimilar si comparamos las tracciones que se producen en el tensor de la zona aligerada por losmodelos de barras resultan esfuerzos de 765t mientras que en el modelo de elementos finitos esde 735t para una diferencia de 30 toneladas que representan un 4% de diferencia, valor que puedeser aceptado según la literatura internacional. De todo este análisis podemos concluir que losmodelos son coherentes y se pueden extrapolar resultados de uno a otro de forma tal que entreellos se complementen y se logre entre todos ver el comportamiento del puente en todas susfacetas.

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