Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ESTUDIO ... · Medir la evolución de las temperaturas...

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Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL COMPORTAMIENTO DE UN PAVIMENTO DE CONCRETO

REFORZADO CON MALLAS ELECTROSOLDADAS DE ACERO DE GRADO 60

Ernesto L. Treviño Treviño1 y Alfredo Olivares Ponce2

RESUMEN

En Diciembre del 2005 fue puesto en operación el libramiento noreste de la ciudad de Zacatecas, Zac, de 24 km de longitud, que conecta los puntos Osiris, Ags-Morelos, Zac. El tipo de pavimento utilizado fue de concreto simple, de 26 cm de espesor. Con carácter experimental, se intercaló un tramo de 105 m de longitud, de 16 cm de espesor, de concreto reforzado estructuralmente con mallas electrosoldadas de acero laminado en frío de grado 60, cuyo desempeño está siendo evaluado por un período de dos años. En este artículo se presentan algunos resultados obtenidos en la primera etapa de pruebas de carga controladas que se realizaron en el mes de Octubre del 2005, antes de que la autopista fuera abierta al tráfico. En esta etapa se sometió al pavimento a recorridos de un camión T3-S3 con la máxima carga legalmente permitida. Los resultados experimentales se comparan con los obtenidos a partir de un análisis teórico por elementos finitos. También se presentan algunas mediciones de temperatura que se efectuaron durante los días de realización de esta primera etapa de pruebas de carga. La respuesta experimental evidenció buena concordancia con la predicha analíticamente. La variación de las temperaturas en el interior de la losa fue congruente con la esperada.

ABSTRACT In December, 2005 the 24 km highway which conects Osiris, Ags with Morelos, Zac was opened to traffic. The type of pavement used was a 26 cm thickness simple concrete. A 105 m, 16 cm thickness segment built of structurally reinforced concrete, with grade 60 welded corrugated re-bar mesh, was inserted as an experiment. Its performance is being evaluated in a two-year period. This paper presents some of the results obtained in the first stage of controlled load tests which took place in October 2005, before the highway was opened to traffic. During this stage, the pavement was subjected to travels of a T3-S3 truck with the maximum weight allowed by the Mexican legislation. The experimental results are compared to the ones obtained from a theorethical analysis by finite elements. In addition, some internal temperature measurments which were obtained during the days of this first stage of load tests are presented. As a result, the experimental response showed good correspondence with the one predicted analytically, and that the temperature variation in the interior of the slab is in agreement with the one expected.

INTRODUCCIÓN

Un pavimento puede definirse como una estructura constituida por un conjunto de capas de materiales apropiados, cuyas funciones son: a) proporcionar una superficie de rodamiento que permita el tránsito de vehículos en forma segura, rápida, cómoda y económica; b) transmitir adecuadamente a las terracerías las cargas aplicadas por las llantas de los vehículos; y c) ser estable ante las solicitaciones ambientales a que se verá sometido, de tal forma de conservarse en buen estado durante su vida útil.

1 Profesor Titular Investigador, Subdirección de Estudios de Posgrado, Facultad de Ingeniería Civil,

Universidad Autónoma de Nuevo León, Teléfono/Fax: (81) 8348-8306; Correos electrónicos: [email protected], [email protected]

2 Director, Metronic, S.A., Francisco Olaguibel 58, Col. Obrera, México, D.F. Teléfono: (55) 5761-8172; Fax: (55) 5578-4926; Correo electrónico: [email protected]

XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006

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Las capas que constituyen el pavimento toman su nombre según su posición dentro de la estructura; a saber: la sub-base, que se coloca sobre la capa sub-rasante; la base, o capa de apoyo; y la capa o superficie de rodamiento. Con fines fundamentalmente prácticos, suelen distinguirse tres tipos principales de pavimentos: los flexibles, los rígidos, y los mixtos. La superficie o capa de rodamiento de los pavimentos flexibles se forma típicamente por una mezcla de agregados pétreos y un aglutinante asfáltico, mientras que en los pavimentos rígidos es proporcionada por losas de concreto hidráulico. A diferencia de los pavimentos flexibles, entre la capa de rodamiento y la capa sub-rasante de los pavimentos rígidos, se coloca solamente una capa de material granular, generalmente estabilizada con cemento Pórtland o con asfalto. Por tratarse de una sola, a esta capa se le acostumbra llamar base o sub-base indistintamente. En la actualidad los tipos mas comunes de pavimentos rígidos para carreteras son:

• el de concreto simple, con juntas de contracción relativamente cercanas, usualmente con pasa-juntas para transferencia de las cargas;

• el de concreto reforzado con redondos corrugados de acero o con mallas electrosoldadas, en el que el

refuerzo no se utiliza para incrementar la resistencia estructural del pavimento, sino para aumentar la separación entre las juntas de contracción; y

• el de concreto reforzado continuo, sin juntas de contracción, en el que la cuantía de acero se

determina para controlar la separación y anchura de las grietas, y tampoco se utiliza para incrementar la resistencia estructural del pavimento.

Aun y cuando desde hace algunas décadas se ha reconocido que es factible diseñar pavimentos de concreto con refuerzo estructuralmente activo, aplicando criterios semejantes a los que se siguen para otros tipos de edificaciones (Losberg, 1978), las aplicaciones de este sistema constructivo han sido limitadas hasta ahora. Recientemente destaca la construcción de un tramo experimental de concreto reforzado estructuralmente, de 500 m de longitud, construido en 2002 en la carretera BR-232 en las cercanías de Recife en Brasil, en el que se lograron ventajas económicas significativas con respecto a un pavimento de concreto simple, derivadas de una disminución en el espesor de las losas y en la cantidad de juntas transversales (Ganassali, Tadeu, Firme, & Pina, 2004). A partir del segundo semestre del 2005 bajo el auspicio de, y en estrecha vinculación con una importante empresa de la iniciativa privada, en el Instituto de Ingeniería Civil de la Universidad Autónoma de Nuevo León se emprendió un proyecto de investigación experimental, sobre pavimentos de concreto reforzado estructuralmente con mallas electro-soldadas de acero laminado en frío, con esfuerzo de fluencia nominal de 6 000 kg/cm2, con el objetivo general de lograr una mejor comprensión de su comportamiento y con los siguientes ….

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

1. Efectuar mediciones de las deformaciones unitarias en las varillas de las mallas de refuerzo y en el concreto del pavimento reforzado estructuralmente, en sitios relevantes de su comportamiento, al ser sometido a cargas de tráfico de magnitud y aplicación controladas.

2. Comparar las mediciones anteriores con las esperadas según un análisis teórico de mecánica de

materiales por elementos finitos.

3. Efectuar mediciones de las deformaciones unitarias en el concreto del pavimento de concreto simple, al someterlo a las mismas cargas controladas de tráfico y en sitios homólogos a los seleccionados para las mediciones en el pavimento de concreto reforzado.

4. Comparar entre sí las mediciones descritas en los puntos (1) y (3) anteriores y con las esperadas

según un análisis teórico de mecánica de materiales, por elementos finitos.

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5. Realizar las mediciones y comparaciones descritas en los objetivos (1) a (4) antes de la apertura al

tráfico del libramiento, así como en dos fechas posteriores, durante un periodo de prueba de dos años. Asimismo, realizar mediciones bajo las cargas usuales de tráfico.

6. Efectuar mediciones de la presión de contacto en la interfase entre la capa de rodamiento y la base

asfáltica, en ambos tipos de pavimento, y comparar con las presiones esperadas según un análisis teórico.

7. Medir la evolución de las temperaturas en el interior del pavimento reforzado estructuralmente y del

pavimento de concreto simple, en épocas de temperaturas extremas altas y bajas, durante el período de prueba de dos años.

8. Observar el comportamiento del pavimento a lo largo del período de prueba y llevar un registro de la

evolución de signos visibles de deterioro tales como: localización, largo y anchura de grietas, asentamientos, y desconchamientos superficiales.

9. Evaluar comparativamente el desempeño de ambos tipos de pavimento durante el período de prueba,

tanto técnicamente como desde los puntos de vista constructivo y económico. En este artículo se presentan solamente algunos resultados correspondientes a los objetivos (1) y (2), obtenidos en la primera etapa de pruebas de carga que se realizaron en el mes de Octubre del 2005, antes de que la autopista fuera abierta al tráfico.

TRAMO EXPERIMENTAL

Para la habilitación del tramo de prueba, se seleccionó el nuevo libramiento noreste de la ciudad de Zacatecas, Zac, el cual consiste de una autopista de 14 m de ancho y 24 km de longitud, que conecta los puntos Osiris, Ags—Morelos, Zac. El tipo de pavimento utilizado en este libramiento fue de concreto simple, de 26 cm de espesor, con tres juntas longitudinales y con juntas transversales a cada 4.50 m, desplantado sobre una base asfáltica de 8 cm de espesor (figura 1). El tramo de prueba, de concreto reforzado estructuralmente con mallas electrosoldadas de acero de grado 60, de 105 m de longitud, de 16 cm de espesor, con juntas transversales a cada 15 m y una sola junta longitudinal al centro de la calzada, fue construido durante el mes de Septiembre del 2005, intercalándolo dentro del libramiento (figura 2).

Figura 1: Libramiento Noreste Ciudad de Zacatecas, Zac.


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El diseño del tramo de prueba se llevó a cabo a partir de un análisis elástico, basado en la hipótesis simplificada del modelo de cimentación de Winkler o líquido denso, el cual considera que la presión reactiva en cualquier punto entre la losa de concreto y la base, es proporcional al desplazamiento vertical en ese punto, y es independiente de los desplazamientos que ocurren en cualquier otro punto. El dimensionamiento de la losa se realizó siguiendo los procedimientos usuales para estructuras de concreto. Los parámetros considerados para el diseño son: a) Camión HS20-44, de tres ejes sencillos, con peso total de 32.7 t [72 kips]; b) Presión de inflado de las llantas p = 7kg cm2 ; c) Módulo de reacción de la base k = 3.2 kg cm3 ; d) Concreto ′ f c = 370 kg cm2 ; y e) Acero de refuerzo fy = 6000 kg cm2 . La sección transversal y armado se muestran en la figura 3.

Figura 2: Tramo Experimental. Media Sección Transversal

Figura 3: Sección Transversal y Armado de las Losas

Bor

de li

bre

Eje

de

carr

eter

a

(6.35 mm @ 100 mm)14 X 14 - 4/4 ASFALTICABASE

7000

600

9535

160

80

600

6X6-6/6 (4.88 mm @ 150 mm)

(7.14 mm @ 100 mm)9/32 X 9/32 - 4/4

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CARCTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES Para la determinación de la resistencia a la compresión del concreto se obtuvieron cuatro muestras de tres cilindros cada una, los cuales fueron curados y ensayados de acuerdo con las normas mexicanas NMX-C-083-ONNCCE-2002, NMX-C-109-ONNCCE-2004, NMX-C-160-ONNCCE-2004, y NMX-C-161-ONNCCE-1997. La resistencia media fc obtenida fue de 377.8 kg/cm2, con un coeficiente de variación de 5.9%. La determinación del módulo de elasticidad y de la relación de Poisson se realizó de acuerdo con lo estipulado en la norma mexicana NMX-C-128-ONNCCE-1997, a partir de seis muestras de tres cilindros cada una. El valor medio del módulo de elasticidad Ec fue de 258,187 kg/cm2, con un coeficiente de variación de 6.8%. El valor medio de la relación de Poisson νc fue de 0.218, con un coeficiente de variación de 9.4%. Por otra parte, la resistencia media a la compresión fc calculada a partir de los resultados de las diez muestras de tres cilindros cada una, resultó igual a 379.3 kg/cm2, con un coeficiente de variación de 7.0%. El módulo de ruptura del concreto, estimado a partir de la resistencia a la compresión mediante la expresión fr = 2 fc es de 39 kg/cm2; mientras que la resistencia a tensión diametral, estimada a partir de la expresión

f t = 1.75 fc es de 34 kg/cm2. Por otra parte, la resistencia a tensión axial, estimada como el 8% de la resistencia a la compresión, resulta ser de 30 kg/cm2. El esfuerzo de fluencia aparente, o resistencia de fluencia, de las mallas de acero electro-soldadas reportado por el departamento de aseguramiento de calidad del fabricante fue como sigue: a) 6,100 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 4.88 mm; b) 6,230 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 6.35 mm; y c) 6,205 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 7.14 mm. El esfuerzo máximo resistido por las probetas de acero también fue reportado por el departamento de aseguramiento de calidad del fabricante de las mallas como sigue: a) 7,120 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 4.88 mm; b) 7,210 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 6.35 mm; y c) 7,304 kg/cm2 para las mallas con diámetro de 7.14 mm.

INSTRUMENTACIÓN Una de las losas localizadas en la parte media del tramo experimental, de 7 m por 15 m, fue instrumentada internamente con: a) 35 deformímetros eléctricos adheridos al acero de refuerzo; b) 12 deformímetros embebidos en el concreto; y c) diez sensores de temperatura, en sitios que se consideraron relevantes para evaluar la respuesta del pavimento ante solicitaciones de tráfico y ambientales. Externamente se colocaron dos celdas de presión en la interfase losa de concreto-base asfáltica. Además, se diseñó un dispositivo que permite asociar la posición del vehículo de prueba en movimiento, con la respuesta de los instrumentos de medición. Asimismo, con fines comparativos, una de las losas del pavimento de concreto simple fue instrumentada internamente con ocho deformímetros eléctricos embebidos en el concreto y con diez sensores de temperatura, y externamente con dos celdas de presión. El diseño, selección e instalación de los instrumentos se realizó tomando en consideración el período de dos años previsto para las observaciones, de tal forma de lograr durabilidad y confiabilidad en las lecturas ante las solicitaciones de tráfico y ambientales impuestas a la estructura. Los deformímetros instalados en el pavimento de concreto reforzado se agruparon en tres posiciones adyacentes al borde libre, y en una posición ubicada sensiblemente al centro de la losa instrumentada, designadas consecutivamente con los números 1 a 4, como se muestra en la figura 4. La orientación y localización de los deformímetros se muestra en las figuras 5 y 6.


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7000

instrumentada

concreto reforzado (h = 160 mm)Concreto simple

(h = 260 mm)

1 2 34

Concreto simpleTramo experimental

7 Losas @ 15000 mm = 105000 mm

Losa

7000 14

000

(h = 260 mm)

Figura 4: Posiciones Instrumentadas

Acotaciones en mm sin escala

Dibujo esquemático

280

380

480

100

3970

250

335

Deformímetro en aceroDeformímetro en concreto

95

3700

460

360

260

350

375

275

210 140

3175

TIP

310

TIP

330 48

038

028

0

100 100

250

310

4155

7635

250100350

4010

50

1750145

Borde libreBorde libre

Figura 5: Ubicación y Orientación de los Deformímetros en el Lecho Inferior de la Losa Instrumentada

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DEFORMÍMETROS ELÉCTRICOS ADHERIDOS AL ACERO Para garantizar la confiabilidad de la instrumentación del acero de refuerzo a largo plazo, se decidió emplear deformímetros soldables, de los cuales se colocaron treinta de ellos en las posiciones 1, 2 y 3. Los cinco restantes, correspondientes a la posición 4, fueron del tipo “convencional” pegables con adhesivo. Los deformímetros del tipo soldable corresponden al modelo AWC-8B-11-3LT de la compañía Tokio Sokki Kenkyujo (figura 7), y los pegables corresponden al modelo EA-06-125BT-120 de la compañía Vishay Micro-Measurements (figura 8). La resistencia eléctrica nominal de ambos tipos de deformímetros es de 120 Ω y están compensados por temperatura con el mismo coeficiente de dilatación térmica de 11 x 10-6 °C, y un factor de sensibilidad de 2.04 y 2.11 respectivamente. Para los deformímetros del tipo soldable, fue necesario incorporar una extensión del cable ya que su presentación de fábrica es únicamente con cable de tres metros de longitud. Los deformímetros pegados con adhesivo, que no tienen de origen ningún cable, se conectaron directamente a los conductores por medio de un conector y un puente eléctrico. Mediante unas etiquetas colocadas junto a cada deformímetro y en el extremo opuesto de los cables, se logra la identificación y localización de cada punto instrumentado. Con el propósito de obtener total estanqueidad, los empalmes soldados se protegieron utilizando tubo de material retráctil “Thermofit” y cinta adhesiva plástica. El arreglo eléctrico para ambos tipos de deformímetros correspondió a un cuarto de puente, con tres conductores, para evitar variaciones de lectura debidas a cambios de temperatura en los cables. Previamente a la fijación de los deformímetros, debe prepararse la superficie para que no presente protuberancias ni oquedades, por lo que fue necesario remover las corrugaciones que presentan las varillas que forman las mallas, por medio de un esmeril eléctrico y lija (figura 9) y adicionalmente, en el caso de los deformímetros pegables, limpieza con acetona y acondicionamiento con ácido fosfórico neutralizado con solución de amoniaco.

Dibujo esquemáticosin escala

Acotaciones en mm Deformímetro en concretoDeformímetro en acero

150

225

150210165

406

225

375

415531353745

350 TIP

TIP

TIP

TIP

435 TIP

135225

150

3965

575

425

275

2250

1810

7875

90

Borde libreBorde libre

Figura6: Ubicación y Orientación de los Deformímetros en el Lecho Superior de la Losa Instrumentada


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Figura 7: Deformímetros Soldables

Figura 7: Deformímetros Pegables

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Para la fijación de los deformímetros soldables se utilizó una planta soldadora de puntos, especial para este propósito, marca Vishay Micro-Measurements modelo 700, la cual se calibra para generar la energía apropiada para las condiciones de la estructura (figura 10). Para la fijación de los deformímetros pegables se utilizó el adhesivo epóxico de secado ultra-rápido M-Bond-200 de la misma marca. Posteriormente a su fijación, ambos tipos de deformímetros fueron protegidos con el sistema M-Coat-F de la marca citada, consistente en una película de teflón adherente, una capa de hule butílico, una lámina de neopreno, y cinta de aluminio con adhesivo, cubriendo finalmente las juntas con M-Coat-B a base de hule nitrílico, también de la misma marca.

Figura 9: Preparación de la Superficie

Figura 10: Fijación de los Deformímetros Soldables


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Una vez concluidas las operaciones antes descritas se procedió a comprobar: a) la estanqueidad de la instalación; b) el aislamiento a tierra, que debe ser mayor de 20 MΩ; c) la continuidad eléctrica; d) la resistencia eléctrica nominal de 120 Ω; y e) la dispersión con respecto a ésta, que no debe ser mayor del 5%. Para realizar estas comprobaciones se utilizó el equipo específico para ello de la marca Vishay Micro-Measurements modelo 300 (figura 11). DEFORMÍMETROS ELÉCTRICOS EMBEBIDOS EN EL CONCRETO Se utilizaron deformímetros de la marca Tokio Sokki Kenkyujo; modelo PMFL-60-2LT cuyas características son: a) base de medición de 6 cm; b) diámetro de 0.4 cm; c) diámetro de las bridas extremas de 0.8 cm; d) longitud total de 7.0 cm; e) resistencia eléctrica nominal de 120 Ω; f) compensación por temperatura con coeficiente de dilatación de 11 x 10-6/°C; g) arreglo eléctrico en configuración de cuarto de puente con tres conductores; y h) presentación de fábrica con cable de 2 m de longitud (figura 12).

Figura 11: Comprobación Final de la Instalación de los Deformímetros

Figura 12: Deformímetros para Concreto

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La fijación de estos deformímetros en la losa de concreto reforzado se realizó sujetándolos a las varillas de las mallas, mediante finos alambres pasados por los pequeños orificios de las bridas extremas. En la losa de concreto simple, la fijación se realizó sujetándolos a alambres convenientemente orientados, tensados entre barras de acero clavadas en la base asfáltica. La extensión de los cables conductores se realizó de igual forma que la descrita para los deformímetros adheridos al acero. SENSORES DE TEMPERATURA El principio de medición de estos instrumentos corresponde a un termistor de 10 KΩ, en paralelo con una resistencia de precisión, contenidos en una cápsula de aluminio de pared delgada, y conectados a un cable de dos conductores, con sellos de látex. Sus dimensiones son: 0.9 cm de diámetro y 7 cm de longitud (figura 13). El sistema de medición está constituido por un instrumento con desplegado de diodos luminosos de 3 cifras, con resolución de 0.5 °C, el cual requiere una alimentación de corriente alterna de 125 V; por lo que, para hacerlo operar con 2 pilas recargables de 12 V, fue necesario incorporar un inversor a corriente alterna de 5 amperes. Todos los elementos antes descritos, incluyendo el cargador, quedaron contenidos en una caja de lámina de 15 x 20 x 17 cm. La calibración de cada uno de los 20 sensores, se realizó con la longitud de cable requerida en la instalación, sumergiendo el bulbo en agua contenida en un recipiente térmico, en un intervalo de 20 a 60 °C, y comparando con dos termómetros certificados, resultando una dispersión de ± 0.2 °C y linealidad de 0.01% de la escala total (figura 14). Los sensores de temperatura, agrupados en número de cinco, fueron montados en un tubo de PVC de 15 cm de longitud, el cual fue perforado perpendicularmente a su eje longitudinal a intervalos constantes. El tubo de PVC se sujetó en posición vertical a la base de asfalto, de forma tal que quedaran los sensores en posición horizontal. Las distancias de los sensores con respecto a la superficie de asfalto para la losa reforzada se muestran en la figura 15 y su localización se muestra en la figura 16. CELDAS DE PRESIÓN Las celdas de presión, diseñadas y fabricadas especialmente para este proyecto fueron tipo “plato”, de 370 mm de diámetro y 25 mm de espesor. Cada celda se comunica con un transductor instrumentado con deformímetros eléctricos en arreglo de puente completo, el cual se conecta a los instrumentos de adquisición de datos, y permite asociar las fuerzas aplicadas a la lectura ofrecida por el transductor. Las celdas se calibraron con resolución de 1.0 kg.

Figura 13: Sensores de Temperatura


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Para la colocación de las celdas de presión se requirió efectuar una excavación en la base asfáltica, con la profundidad necesaria para aceptar una capa de arena, una película de corcho, y el espesor mismo de la celda, dando un total de 5 cm aproximadamente, cuidando que la cara superior de la celda quedase apañada con la rasante de la base asfáltica (figura 17). Finalmente, las celdas se cubrieron con una tela plástica para recibir el concreto. La localización de las celdas se muestra en la figura 18.

DISPOSITIVO DE POSICIÓN DEL VEHÍCULO DE PRUEBA Para asociar la posición de un vehículo circulando sobre la carretera con la respuesta de los instrumentos, se diseñó y fabricó un dispositivo capaz de proporcionar una señal eléctrica compatible con los equipos de adquisición de datos. Básicamente dicho dispositivo está constituido por una rueda de bicicleta montada en un marco metálico, el cual se acopla al vehículo de prueba (figura 19). Por un lado del eje de la rueda actúa un mecanismo que deforma una viga de acero en voladizo, instrumentada con deformímetros eléctricos en arreglo de puente completo, que generan una salida eléctrica. Asociando el recorrido por el giro de la rueda con la señal producida por los deformímetros, se obtiene un factor que permite establecer el desplazamiento del vehiculo con respecto a una referencia arbitraria. Aprovechando el giro del eje de la rueda, en el lado opuesto se instaló un medidor mecánico para utilizarse como redundancia de la medición de desplazamiento del vehículo.

Figura 14:Calibración de los Sensores de Temperatura

2530

2525

2530

160

Figura 15: Posición de los Sensores de Temperatura

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Dibujo esquemáticosin escala

Acotaciones en mm

320

320

Sensores de temperaturaCeldas de presión

2550

330

3910 2505

350

3400 2635

Borde libre

Figura 16: Ubicación de Sensores de Temperatura y Celdas de Presión en la Losa Instrumentada

Figura 17

Colocación de Celdas de Presión

Figura 18

Figura 19: Dispositivo de Posición del Vehículo de Prueba


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PROCEDIMIENTO DE PRUEBA

Para llevar a cabo las pruebas de carga se seleccionó un vehículo tipo T3-S3, el cual consiste de un tractor y un semi-remolque, cada uno con tres ejes. El camión fue cargado al máximo permitido por la Ley General de Vías de Comunicación vigente (SCT, 1980), para circulación por caminos tipo A (figura 20). Previamente a la realización de las pruebas, el vehículo fue pesado eje por eje, en una báscula apropiada para esta operación, y con calibración certificada vigente. Las cargas por eje y por rueda se muestran en la figura 21.

Figura 20: Vehículo de Prueba

2250

709013405410 1270 1270

2380

2420

4200 2100 2275

910021258500 7300

182572001800

99002475

Kg por ejeKg por llanta

T1 T2 T3 S1 S2 S3

Figura 21: Cargas en el Vehículo de Prueba

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Las pruebas dinámicas consistieron en someter al pavimento a recorridos del vehículo descrito, circulando a una velocidad no mayor de 10 km/hr, de tal forma de hacer pasar sus llantas izquierdas sobre las cuatro posiciones instrumentadas, registrando simultáneamente 10 lecturas/seg en la totalidad de los instrumentos colocados. Dadas las limitaciones del sistema de adquisición de datos disponible, marca Vishay, modelo 6200, con capacidad de 16 canales, fue necesario programar varios recorridos como se describe a continuación, para estar en posibilidad de registrar las mediciones de todos los instrumentos instalados: a) Cuatro grupos de tres recorridos cada uno —un recorrido inicial y dos repeticiones para redundar—

haciendo coincidir el paño exterior de las llantas izquierdas del eje S3 del vehículo, con una línea paralela al borde libre situada a 20 cm de distancia del mismo. En cada grupo de tres recorridos se registraron las mediciones correspondientes a los instrumentos instalados en una de las cuatro posiciones.

b) Dos grupos de tres recorridos cada uno haciendo coincidir el paño exterior de las llantas del eje S3 del

vehículo con una línea paralela al borde libre situada a 400 cm de distancia del mismo. En cada grupo de tres recorridos se registraron las mediciones correspondientes a los instrumentos instalados las posiciones 2 y 4.

Es pertinente mencionar que previamente a los recorridos descritos en los incisos (a) y (b), se realizaron dos recorridos preliminares, haciendo coincidir el paño exterior de las llantas izquierdas del eje S3 del vehículo con una línea paralela al borde libre, situada a 20 cm de distancia del mismo. El propósito de estos recorridos preliminares fue el permitir el reacomodo de las capas del pavimento, el cual no había sido sometido a ninguna solicitación de tráfico. Las lecturas obtenidas de estos recorridos preliminares no mostraron un patrón de respuesta definido, por lo que fueron descartadas. Es pertinente mencionar, que además de las pruebas dinámicas descritas, se realizaron pruebas estáticas con el vehículo estacionado, en sitios comparables con los que ocurren al pasar las llantas de los ejes traseros sobre las posiciones instrumentadas. Asimismo, durante los días en que se llevó a cabo esta primera etapa de pruebas, se registró la evolución de la temperatura en el interior de la losa a distintas horas del día.

ANÁLISIS TEÓRICO

Con el propósito de comparar los resultados obtenidos experimentalmente con los predichos analíticamente, se desarrolló un modelo de elementos finitos en el programa SAP-2000, sobre la base de los siguientes considerandos: a) losa de concreto sólido, homogéneo e isótropo; b) propiedades mecánicas del concreto iguales a las obtenidas experimentalmente; a saber: E = 258,000 kg/cm2; ν = 0.22; fc = 380 kg/cm2 y fr = 39 kg/cm2; c) sustentación tipo Winkler, o líquido denso, con módulo de reacción de 25 kg/cm3; d) cargas iguales a las del vehículo utilizado en las pruebas; y e) malla formada por recuadros de 15 cm en dirección longitudinal, por 20 cm en dirección transversal a la carretera. El modelo fue sometido, numéricamente, a recorridos del vehículo de prueba que simulan los efectuados experimentalmente, obteniéndose la respuesta de la losa, en términos de deformación unitaria, en cada uno de los puntos, y en la dirección correspondiente a los deformímetros instalados. Es importante mencionar que la ubicación final de los deformímetros fue determinada en campo mediante un levantamiento topográfico que permitió conocer con exactitud las coordenadas en planta y elevación de cada uno de ellos.

RESULTADOS

Los registros de las tres mediciones —inicial y dos repeticiones— de cada uno de los deformímetros se promediaron, obteniéndose una sola curva de respuesta correspondiente a cada uno de ellos. Es notable señalar que se comprobó el funcionamiento correcto de la totalidad de los deformímetros instalados, no habiendo sufrido ningún desperfecto después de las maniobras de colado de la losa. En la figura 22 se muestran las gráficas de respuesta de los siguientes siete deformímetros, todos ellos ubicados en la posición 2, y orientados en la dirección longitudinal de la carretera:


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Deformímetros adheridos al acero de refuerzo 17-AIL, 18-AIL y 19-AIL en la malla inferior; y 12-ASL en la malla superior. Deformímetros embebidos en el concreto 3-CSL y 4-CSL al nivel de la malla superior; y 5-CIL al nivel de la malla inferior. En la figura 23 se muestran las curvas de respuesta predicha analíticamente para los mismos deformímetros antes mencionados, y en la figura 24 se compara la respuesta experimental con la respuesta analítica correspondientes al deformímetro 12-ASL. Respecto a las mediciones de temperatura, en la figura 25 se muestran las registradas por los diez sensores posicionados en el interior de la losa como se indicó en la figura 15, en las dos ubicaciones mostradas en la figura 16.

Parte superior

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tiempo, s

SG-12-ASL

SG-3-CSL

SG-4-CSL

Parte inferior

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tiempo, s

SG-17-AILSG-18-AILSG-19-AILSG-5-CIL

Figura 22: Respuesta Experimental de Deformímetros Adheridos a las Mallas deRefuerzo Inferior y Superior y de Deformímetros Embebidos en el Concreto

17


Parte superior

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45Tiempo, s

SG-12-ASL

SG-3-CSLSG-4-CSL

SG-11-CSL

Parte inferior

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Tiempo, s

SG-17-AIL

SG-18-AIL

SG-19-AIL

SG-5-CIL

Figura 23: Respuesta Predicha Analíticamente de Deformímetros Adheridos a lasMallas de Refuerzo Inferior y Superior y de Deformímetros Embebidos en el Concreto

Parte superior

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tiempo, s

Anal’tico

Experimental

Figura 24: Comparación de la Respuesta Analítica con la Experimental del Deformímetro SG-12- ASL (Acero-Lecho Superior-Longitudinal)


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COMENTARIOS FINALES

Los resultados experimentales confirmaron que los efectos mas desfavorables en las losas del pavimento, al estar sometida a cargas de tráfico vehicular, ocurren cuando los vehículos circulan tangentes o muy próximos a los bordes libres longitudinales de la carretera. En general, la respuesta experimental del pavimento evidenció un patrón definido, asociado claramente al paso del vehículo de prueba, en correspondencia con la magnitud relativa de las cargas aplicadas por cada una de sus llantas, y en buena concordancia con la respuesta predicha analíticamente. A la fecha de realización de esta primera etapa de pruebas, la edad del pavimento era de 33 días, sin haber estado sometido a solicitaciones de tráfico, ni a gradientes extremos de temperatura. Esto puede explicar el hecho que la losa instrumentada se comportara en régimen de sección no agrietada, con niveles muy bajos de deformación tanto en el acero como en el concreto. Sin embargo, al paso del tiempo, estas deformaciones son aditivas a las inducidas por alabeo y cambios volumétricos, por lo que parece razonable pensar que, en el

Temperaturas Torre 2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

C

17-X-05 14:15 hrs.

18-X-05 9:10 hrs.

18-X-05 14:10 hrs.

18-X-05 18:50 hrs.

19-X-05 9:45 hrs.

19-X-05 14:45 hrs.

Temperaturas Torre 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26C

17-X-05 14:15 hrs.18-X-05 9:10 hrs.18-X-05 14:10 hrs.18-X-05 18:50 hrs.19-X-05 9:45 hrs.19-X-05 14:45 hrs.

Figura 25: Variación de la Temperatura en el Interior de la Losa Durante los Días 17, 18 y 19 de Octubre del 2005

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corto plazo, el pavimento cambiará su régimen de comportamiento al de sección agrietada, lo cual podrá comprobarse en las siguientes etapas de pruebas. Al ocurrir el agrietamiento, las deformaciones y esfuerzos en ambos materiales se verán incrementados del orden de cinco a seis veces, y la función del acero de refuerzo será fundamental para mantener la anchura de las grietas en valores insignificantes, de tal forma que se logre una trabazón mecánica en las secciones agrietadas, que permita al pavimento continuar trabajando como una unidad. Respecto a las mediciones de temperatura, su variación a través del espesor de la losa, es congruente con la esperada para las horas del día en que se llevaron a cabo. Los autores consideran que los pavimentos de concreto con refuerzo estructuralmente activo son una opción factible para la construcción de carreteras en nuestro país, y esperan que al término del periodo de dos años de observaciones y pruebas, este experimento constituya una aportación a la comprensión de su comportamiento.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen la valiosa y desinteresada participación del M.I. Leonardo Flores Corona en el procesamiento e interpretación de los resultados experimentales, así como en el desarrollo de la modelación analítica por elementos finitos. A los Ings. Generoso Páez y Guillermo Llaguno de la empresa Deacero, S.A. se agradece su apoyo financiero otorgado a este proyecto.

REFERENCIAS Firme, P., & Rocha, M. (2005). “Dimensionamento de Pavimentos de Concreto Estruturalmente Armados ” São Paulo, Brasil: Associação Brasileira de Cimento Portland; Instituto Brasileiro de Telas Soldadas. Ganassali, V., Tadeu, J., Firme, P., & Pina, M. (2004). “Análise Experimental de Tensões em Pavimento de Concreto Armado na Rodovia BR-232/PE” Memorias. 46° Congreso Brasileño del Concreto. Brasil. Huang, Y.H. (1993). “Pavement Analysis and Design” Englewood Cliffs, NJ, USA: Prentice-Hall Inc. Losberg, A. (1978). “Pavements and slabs on grade with structurally active reinforcement”. Journal Proceedings. American Concrete Institute. Vol. 75, No. 12, Diciembre, pp. 647-657. Pickett, G., & Ray, G. (1951). “Influence Charts for Concrete Pavements”. Transactions ASCE, Vol. 116, pp. 49-73 SCT (1980). Ley de Vías Generales de Comunicación. Dirección General del Autotransporte Federal. Secretaría de Comunicaciones y Transportes. México. Yoder, E., & Witczak, M. (1975). “Principles of Pavement Design” New York, NY, USA: John Wiley & Sons.

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