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VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL DE UNIONES MEDIANTE LAZOS DE ARMADURA Y SU APLICACIÓN EN LA CONSTRUCCIÓN EVOLUTIVA DE PUENTES Catalina CONTRERAS LÓPEZ Ingeniero Civil UPC, Barcelona, España Estudiante de Doctorado [email protected]

Ángel APARICIO BENGOECHEA Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos UPC, Barcelona, España Profesor [email protected]

Joan CASAS RIUS Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos UPC, Barcelona, España Profesor [email protected]

RESUMEN El presente trabajo entrega un estudio a partir de ensayos de un nuevo tipo de empalme para puentes de sección cajón construidos evolutivamente, buscando reducir riesgos asociados a la construcción y plazos de ejecución. Por esta razón se realizan ensayos de rotura en losetas de hormigón armado, estableciendo una comparación de resultados para el empalme experimental con otras losetas de armadura continua y empalme mediante lazos establecido en DIN 1045. Se entregan los resultados de carga de rotura, deformaciones en la armadura, flechas y abertura de junta de hormigonado para un ensayo de flexión pura. Se plantean las metodologías de ensayo y se entrega un primer ensayo a fatiga, esperando concluir en futuros trabajos acerca del comportamiento frente a este fenómeno en las diferentes losetas. PALABRAS CLAVE: hormigón armado, puentes sección comportamiento en rotura, fatiga

cajón,

lazos

de

armadura,

1. Introducción La viga cajón de alma llena es actualmente la solución para grandes puentes de hormigón pretensado, siendo también la más empleada hoy en día en secciones metálicas y mixtas. Su uso extendido se debe a sus características resistentes y versatilidad, pudiendo ejecutarse mediante diversos procesos constructivos. Sin embargo, presenta la gran desventaja que su hormigonado debe realizarse en fases. Debido a estas ventajas resulta de gran importancia desarrollar nuevas técnicas que permitan mejorías en su ejecución, a la vez que reduzcan plazos de ejecución. La construcción de estas secciones plantea empalmes por prolongación recta. En base a esto se ha constatado que se requieren medidas adicionales al momento de la ejecución, ya sea desde el punto de vista de la peligrosidad para los operarios, como para el retirado del encofrado interior. Como consecuencia surge la necesidad de plantear un nuevo tipo de empalme, mediante lazos, que reduzca dichos riesgos, minimice tiempos de ejecución y facilite la labor en obra.

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Para conocer el comportamiento de una sección con este empalme se decide confeccionar losetas de dimensiones representativas de un puente de ferrocarril, que cuenten con una junta de hormigonado, imitando en lo posible lo que sucede en la realidad, y someterlas a campañas experimentales de flexión pura. Se decide llevar a cabo campañas de ensayos estáticos y dinámicos, buscando conocer el comportamiento de la sección a rotura y apreciar su respuesta frente a fatiga; centrándose en las deformaciones experimentadas en la armadura, flechas y abertura de junta de hormigonado. Una vez realizados estos ensayos es posible comparar los resultados obtenidos con los generados por dos secciones con características aprobadas por normativas europeas. En base a esta comparación se decide si el comportamiento experimentado es aceptable o no. 2. Trabajo experimental 2.1. Empalme experimental mediante lazos Para el dimensionamiento del empalme experimental se consideran las especificaciones de la normativa Alemana DIN 1045 [1] respecto a la longitud mínima de solape para barras con gancho o gancho en ángulo, la cual debe ser el mayor de los siguientes valores: i) 200 mm ii) 1,5 db

donde db: diámetro del mandril de doblado Considerando un diámetro de 20 mm y las restricciones establecidas por normativa, se propone una longitud de empalme de 275 mm [2] (Figura 1).

Figura 1. Empalme experimental (unidades en cm)

El lazo está compuesto por dos barras longitudinales en contacto y seis barras transversales, tal como se aprecia en la Figura 2. Este empalme presenta la ventaja de otorgar mayor espacio para posicionar el encofrado interior y entregar ventajas en seguridad y salud laboral.

Figura 2. Generación del empalme experimental.

2.2. Propiedades de los materiales El hormigón solicitado es del tipo H-35, confeccionado con un cemento tipo I52,5 R con adición de superplastificante Glenium C-355 de Basf y una armadura pasiva de un acero de calidad B-500S. Al realizar ensayos en probetas de hormigón se aprecia que las resistencias obtenidas son muy superiores a la solicitada (Tabla 1).

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Campañas Estáticas f’ck Loseta (MPa) LR 78,87 LD 76,48 LE_1_1

70,33

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Campañas Dinámicas f’ck Loseta (MPa) LR 81,43 LD 83,52 LE_1_2 74,25 LE_1_3 80,61 LE_1_4 79,62

Al ensayar un número de barras representativas de cada uno de los diámetros dispuestos en las losetas se obtiene un Límite elástico de 537 MPa y un Módulo de elasticidad de 185384 MPa.

Tabla 1: Resistencias probetas de ensayos

2.3. Características de losetas Las losetas tienen una sección rectangular de 1,6 m de ancho por 0,285 m de canto, con una longitud total de 5,6 m, y una junta de hormigonado. Cada loseta tiene una continuidad de refuerzo diferente, existiendo tres tipos: a) Loseta de Referencia (LR): presenta armadura longitudinal inferior continua de 20 mm, superior de diámetro 16 mm y armadura transversal de 12 mm. Ver Figura 3.

Figura 3. Loseta de Referencia (LR).

b) Loseta DIN (LD): la armadura longitudinal inferior cuenta con un enlace de acuerdo a la normativa Alemana DIN 1045 (empalme mediante adherencia de lazos) para un diámetro de 20 mm; una armadura superior de 16 mm y transversal de 12 mm. Ver Figura 4.

Figura 4. Loseta DIN (LD).

c) Loseta Experimental (LE): la armadura inferior longitudinal cuenta con el enlace experimental previamente descrito, para un diámetro de 20 mm; armadura superior de 16 mm, armadura transversal de 12 mm y de 16 mm en el interior del bucle. Ver Figura 5.

Figura 5. Loseta Experimental (LE).

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Se realizan campañas de ensayos en 8 losetas, aplicando carga estática en 3 de ellas (LR, LD y LE); y carga dinámica en el resto (LR, LD y 3 LE). Hasta la fecha sólo se ha llevado a cabo una campaña de fatiga. 2.4. Instrumentación de losetas Para obtener las mediciones requeridas se emplean bandas extensométricas para la deformación de la armadura, y Transductores Magnéticos HBM (TEMPO) para flechas y abertura de junta de hormigonado. La disposición de esta instrumentación en las diferentes losetas se puede apreciar en las Figuras 6, 7 y 8.

Figura 6. Instrumentación LR.

Figura 7. Instrumentación LD. Figura 8. Instrumentación LE.

2.5. Niveles de carga En ambas campañas de ensayos la aplicación de carga ha sido realizada buscando obtener un esquema estático de flexión pura, ejerciendo una carga de Q/2 en dos puntos ubicados a 1,6 m desde los apoyos, tal como se observa en la Figura 9. Figura 9. Esquema de carga.

En los ensayos estáticos se aplica carga hasta el momento de rotura de las losetas. Es importante destacar que los ensayos han sido realizados en dos etapas (I y II) por problemas de espacio bajo las losetas.

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La Etapa I termina cuando la flecha en centro de vano alcanza 100 mm. En este momento se retira la instrumentación bajo la loseta y se disponen temposonics de mayor capacidad en los laterales de las losetas, dando inicio a la Etapa II, hasta rotura. Parte de esta instrumentación se puede observar en la Figura 10.

Figura 10. Instrumentación de losetas (Etapa I a la izquierda y II a la derecha).

En las campañas de carga dinámica se aplica carga de forma sinusoidal con una frecuencia de 0,7 HZ hasta los 2000000 de ciclos. Una vez finalizado el ensayo de fatiga se somete a rotura aquellas losetas que hayan soportado los 2000000 de ciclos, buscando conocer el comportamiento último de la sección. 3. Resultados ensayos de carga estática 3.1. Carga de rotura

Loseta LR LD LE_1_1

f’ck (MPa) 78,87 76,48 70,33

Qult experimental (kN) 420,74 400,37 425,38

La Tabla 2 muestra la carga máxima en rotura. Se aprecia que la Loseta Experimental tiene una carga de rotura superior a la de Referencia y a la vez superior de la DIN. Es importante destacar que la rotura ha ocurrido por compresión de la capa superior del hormigón.

Tabla 2. Carga última experimental

3.2. Deformaciones en la armadura Las Figuras 11, 12 y 13 muestran las deformaciones longitudinales experimentadas en las armaduras durante las etapas de ensayo (I y II). En Etapa I de ensayo se observa que las losetas LR y LE_1_1 presentan deformaciones en la armadura superiores a 0,00290 (deformación asociada al límite elástico), mientras que en LD ocurre lo mismo en 2 de las 5 bandas. En Etapa II de ensayo las tensiones de las losetas LR y LE_1_1 se encuentran dentro del tramo plástico (ε>0,01104), mientras que en la loseta LD se tienen dos barras que aún no alcanzan el límite elástico (G5 y G8). Figura 11. Deformaciones longitudinales LR (I y II).

Es posible apreciar que la Loseta Experimental presenta una deformación en la armadura levemente superior a la loseta de Referencia, y muy superior a la loseta DIN.

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Figura 12. Deformaciones longitudinales LD (I y II).

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Figura 13. Deformaciones longitudinales LE (I y II).

En la armadura transversal las deformaciones experimentadas se encuentran muy por debajo de la asociada al límite elástico; pese a esto es importante destacar que aunque sean pequeñas la armadura transversal siempre toma parte de la carga solicitante (Figura 14 y 15).

Figura 14. Deformaciones transversales LD (I y II).

Figura 15. Deformaciones transversales LE (I y II)

3.3. Flechas La Figura 16 muestra la flecha en centro de vano de la sección, medida en dos etapas también. A partir de esta gráfica es posible apreciar que frente a pequeños incrementos de carga (6,25%) entre las losetas LD y LE_1_1 existen notables aumentos de flecha en la sección (68,68%) en rotura.

Figura 16. Carga vs Flecha en centro de vano (Etapas I y II).

Es de pensar que la gran diferencia entre las flechas finales experimentadas por las losetas LD y LE_1_1 tiene directa relación con el largo de empalme del bucle.

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3.4. Abertura de junta de hormigonado Las Figuras 17, 18 y 19 muestran el comportamiento de la abertura de junta de hormigonado. Se aprecia que en la Loseta de Referencia sólo se tienen datos de la Etapa I de ensayo, puesto que la instrumentación de la Etapa II se plantea una vez finalizado este ensayo. En Etapa I de ensayo la abertura de la junta de hormigonado es mayor en centro de vano en las losetas LR y LD, mientras que para LE_1_1 es mayor en la cara delantera de la loseta. Esto hace pensar que la carga no ha sido aplicada exactamente en el centro de la loseta, ejerciendo mayores esfuerzos en la cara delantera.

Figura 17. Abertura Junta de Hormigonado LR (Etapa I).

Hasta este momento se visualiza que la máxima abertura alcanzada en la loseta LD es mayor que la de LR, y a la vez mayor que LE_1_1. En Etapa II de ensayo se observa que la máxima abertura experimentada por la loseta LD es levemente superior a la de la loseta LE_1_1.

Figura 18. Abertura Junta de Hormigonado LD (Etapa I y II).

Figura 19. Abertura Junta de Hormigonado LE (Etapa I y II).

4. Resultados ensayos de carga dinámica La Normativa EHE 2008 [3] plantea una ecuación de reducción de la variación de tensión al utilizarse barras dobladas. Para el caso de la Loseta LE_1_2 se plantea omitir esta restricción y asumir la variación de tensión requerida para armadura continua (∆σ=150 MPa), con lo que se pretende conocer el Número de Ciclos (N) que resistirá la estructura antes del fallo.

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4.1. Flechas La Figura 20 muestra la evolución de la flecha durante el ensayo de fatiga. Se puede apreciar un incremento de ella a medida que aumentan los ciclos de ensayo, producto de la reducción de rigidez a la que se ve sometida la estructura como consecuencia de la propagación de las fisuras, degradación de la adherencia entre hormigón y acero, y el desarrollo de microfisuras de fatiga. Figura 20. Evolución de Flecha LE_1_2.

4.2. Deformaciones en la armadura La Figura 21 muestra la variación de las deformaciones longitudinales en las armaduras instrumentadas producto del aumento del número de ciclos de carga. La banda extensométrica identificada como G4 sobrepasa la deformación asociada al límite elástico, mientras que el resto de bandas presentan valores por debajo de este límite una vez transcurridos 2000000 de ciclos. Se puede observar que a partir de 1250000 ciclos todas las bandas incrementan rápidamente su deformación longitudinal. Aunque las deformaciones transversales presentan valores pequeños se demuestra que la armadura transversal se lleva parte de la carga aplicada durante el ensayo, existiendo incrementos en las deformaciones a medida que aumenta el número de ciclos al que se ve sometida la loseta (Figura 22).

Figura 21. Evolución Deformación Longitudinal LE_1_2.

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Figura 22. Evolución Deformación Transversal LE_1_2.

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4.3. Abertura de junta de hormigonado En la Figura 23 se puede observar la evolución de la abertura de la junta de hormigonado durante el ensayo de fatiga. Es posible apreciar que esta alcanza un mínimo incremento durante 1250000 de ciclos, aumentando bruscamente en los 750000 ciclos restantes.

Figura 23. Evolución Abertura Junta de Hormigonado LE_1_2.

4.4. Carga de Rotura y Flecha final Después de resistir 2000000 de ciclos las losetas son ensayadas a rotura, presentándose en la Tabla 3 la carga última. Al comparar la carga última obtenida una vez finalizado el ensayo de fatiga con la de la pieza sometida únicamente a carga estática se aprecia que existe una reducción del 71%, lo que corrobora que disminuye la capacidad resistente de una estructura producto del daño por fatiga. Loseta LE_1_2

f’ck (MPa) 74,25

Qult experimental (kN) 302,07

Tabla 3. Carga última experimental

La máxima flecha experimentada por LE_1_2 en rotura es de 114,43 mm, lo que representa un 282% de la flecha alcanzada en la campaña estática para el mismo nivel de carga (40,47 mm). 5. Conclusiones Se obtiene el comportamiento a flexión pura de una loseta con lazo experimental propuesto, estableciendo comparaciones con los resultados obtenidos en losetas LR y LD, donde no existe lazo de unión y se tiene un empalme mediante lazos, respectivamente. Adicionalmente se conoce la respuesta a fatiga de la loseta experimental, basándose en deformaciones experimentadas en la armadura, flechas y abertura de junta de hormigonado. Con los resultados disponibles hasta la fecha (se siguen llevando a cabo campañas dinámicas) es posible concluir que: 1. Las tensiones alcanzadas en rotura en las losetas LR y LE_1_1 alcanzan el rango plástico (siendo mayores en LE_1_1), mientras que la loseta LD aun cuenta con armadura que trabaja dentro del rango elástico. 2. Resulta beneficioso la disposición de armadura transversal en la zona del lazo pues trabaja en conjunto con la armadura longitudinal. 3. Se corrobora la degradación de la resistencia de la loseta LE_1_2 producto de los ciclos de carga.

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4. Aunque no se respeta la restricción planteada por la EHE 2008 respecto a la disminución de la variación de tensión en armaduras dobladas, se aprecia que la estructura resiste los 2000000 de ciclos, alcanzando eso sí en algunas de sus barras tensiones superiores al límite elástico. 5. La abertura de la junta de hormigonado durante la campaña dinámica presenta incrementos considerables en los últimos 750000 ciclos de ensayo. Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo financiero del Ministerio de Educación Español a través de los proyectos de investigación BIA 2006-15471-C02-01 y BIA 2010-16332. Referencias [1]

DIN 1045, “Construcción de Hormigón y Hormigón Armado. Cálculo y ejecución”, Editorial Balzola, 1972, Bilbao, España.

[2]

VILLALBA S., “Diseño, verificación experimental y desarrollo de uniones mediante lazos de armaduras en viaductos de hormigón de sección transversal en cajón. Optimización del proceso constructivo”, Tesis Doctoral, UPC, 2010, Barcelona, España.

[3]

EHE, “Instrucción de Hormigón Estructural”, Ministerio de Fomento, 2008, Madrid, España.

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