EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE UN … · 2017-10-09 · sistema en la autopista México-Querétaro en el tramo carretero entre Palmillas-Querétaro carril de baja velocidad

1 Investigador, Instituto Mexicano del Transporte; Km. 12 Carretera Querétaro Galindo SN, San Fandila, Querétaro. Tel. (442)

216-97-77 y 216-96-46, Ext. 3107; [email protected] 2 Estudiante de posgrado, Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro; Cerro de las Campanas S/N, Las

Campanas, 76010 Santiago de Querétaro, QRO

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EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE UN PAVIMENTO DE CONCRETO ESTRUCTURALMENTE REFORZADO CONTINUO POR EFECTO TÉRMICO

Juan Antonio Quintana Rodríguez1, Francisco Javier Carrión Viramontes1, Saúl Enrique Crespo Sánchez1, Víctor Manuel Bonilla Ureña2, Paul Garnica Anguas1, Alfonso Pérez Salazar1

RESUMEN

En este trabajo se presenta la evaluación estructural de un Pavimento de Concreto Estructuralmente Reforzado

Continúo (PCERC) por efecto térmico a través de la medición de datos experimentales de sensores de deformación,

aceleración y temperatura, todos ellos de tecnología fibra óptica FBG, instalados en un tramo de prueba. El sistema

fue monitoreado durante los dos últimos años, a través de mediciones dinámicas ante cargas vivas controladas y

operación normal. El análisis muestra que el esfuerzo del gradiente térmico en un día, es mayor que el inducido por

carga viva y que, la temperatura modifica la respuesta dinámica del sistema.

ABSTRACT

In this paper is presented the evaluation of a continuous structural reinforced concrete pavement for thermal effect,

using experimental data from strain, stress, acceleration and temperature fiber optic sensors (FBG) installed in a

highway. The system was monitored for the past two years, through dynamic measurements with controlled live

loads and normal traffic operation. The analysis shows that the stress of the thermal gradient in a day is greater than

the induced by live load and also the temperature effect modifies the system dynamic response.

INTRODUCCIÓN

Un pavimento es, esencialmente, una superestructura de la obra vial, la cual hace posible el tránsito de vehículos

entre nodos, de una manera segura y cómoda. Estas estructuras, conformadas por capas superpuestas por materiales

seleccionados (Losa, sub-base y capa subrasante), se clasifican en general, en pavimentos flexibles (asfálticos) y

rígidos (concreto hidráulico). Ambos tipos, deben satisfacer la resistencia a esfuerzos producidos por cargas de

tránsito, por efectos térmicos y de humedad, y por los cambios volumétricos de los materiales que les sirven de

apoyo. Adicional a ello, deben de contar con determinados atributos funcionales, entre los cuales se encuentran la

resistencia al derrapamiento, regularidad superficial tanto transversal como longitudinal, bajo nivel de ruido, buena

apariencia, entre otros (Zarate, 2002).

La diferencia entre los tipos de pavimentos flexibles y rígidos, además de la constitución de la superficie de

rodamiento (asfalto o concreto), estriba en la inclusión de una sub-base entre la superficie de rodamiento y la capa

subrasante. Esta sub-base, constituida de material granular o material granular estabilizado generalmente con

cemento portland (en condiciones de tráfico pesado, para evitar erosiones indeseables), tiene como funciones

principales, el control de cambios volumétricos de la capa subrasante y el incremento de su módulo de reacción,

garantizando además la uniformidad en el sustento de las losas (Zarate, 2002).

En cualquier caso, las superficies expuestas de losas experimentan variaciones de temperatura importantes. Los

cambios de temperatura y humedad son menores en las proximidades del fondo de las losas y en el fondo mismo.

Este fenómeno genera esfuerzos adicionales que se presentan después de que el concreto ha endurecido (Zarate,

2002).

La ondulación se presenta por gradientes térmicos a lo largo de la sección transversal de las losas; la cantidad y

configuración de estas ondulaciones se dan en función de las horas del día que se considere. Durante el día, la parte

expuesta de la losa experimenta temperaturas mayores que los lechos inferiores de la sección, lo que produce

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expansiones mayores y en consecuencia se presenta la ondulación. Sin embargo, la losa tiende a “bajar” en su parte

media arrastrada por su peso propio, acción que se opone a la ondulación hacia arriba causado por la mencionada

expansión, esto produce esfuerzos de tensión en el lecho inferior de la losa, mientras que en su parte superior se

generan esfuerzos de compresión. Durante la noche el proceso se invierte, es decir que los esfuerzos de tensión se

presentan en la parte superior o superficie expuesta de la losa.

Fig. 1. Ondulación por efectos térmicos (Zarate, 2002)

En los pavimentos rígidos, constituidos por concreto hidráulico, el papel del acero de refuerzo está en incrementar las

separaciones entre las juntas de contracción, debido a que el acero dispuesto absorbe los esfuerzos originados por los

cambios volumétricos y los efectos térmicos, sin embargo, se han desarrollado soluciones en las que el acero de

refuerzo cumple una función estructural activa, un ejemplo de este tipo de propuestas es el Pavimento de Concreto

Estructuralmente Reforzado Continuo (PCERC), que es una alternativa a los pavimentos tradicionales de concreto

que se han estado utilizando en las últimas décadas en México.

En este caso, se propone un pavimento de menor espesor con dos mallas de acero de refuerzo que en principio, puede

ser más eficiente desde el punto de vista estructural y más económico para carreteras de gran afluencia. Como su

nombre lo indica, este sistema se refiere a pavimentos de concreto reforzados longitudinalmente con varillas de acero

y construidos sin el corte de juntas transversales de contracción. En este tipo de pavimento, se permite que el

concreto se agriete en forma aleatoria como resultado de cambios volumétricos derivados de las variaciones de

temperatura, este agrietamiento es controlado mediante el refuerzo de acero longitudinal y transversal y la restricción

de la capa de base a manera de que se mantengan la transferencia de carga y una buena condición superficial en el

pavimento. En estos pavimentos es fundamental el control del espaciamiento y ancho de las grietas y el nivel de

esfuerzos en el acero, a manera que se mantengan dentro de ciertos límites que garanticen el buen desempeño del

pavimento.

Para evaluar el comportamiento estructural del diseño PCERC en condiciones operativas reales, un estudio

preliminar se llevó a cabo en 2006 [4] utilizando strain gages embebidos para medir los esfuerzos internos en el

concreto y en las barras de acero debido a las cargas del vehículo, y sensores de temperatura integrados para medir

los gradientes de temperatura durante un día. En este caso, las mediciones experimentales se limitan a un análisis a

corto plazo debido a la naturaleza de los sensores, los problemas con las conexiones eléctricas y de calibración. Los

resultados generales fueron alentadores, pero el comportamiento a largo plazo no se evaluó y las condiciones de

tránsito a las que fue sometido el tramo de prueba fueron muy bajas respecto al registrado en autopistas importantes;

por lo que en este estudio, se plantea un sistema de monitoreo estructural que evalúe a largo plazo estos efectos.

INSTRUMENTACIÓN

Para evaluar el desempeño estructural del PCERC, se realizó una propuesta para la construcción de este tipo de

sistema en la autopista México-Querétaro en el tramo carretero entre Palmillas-Querétaro carril de baja velocidad del

cuerpo B entre el km 166+000 y el 166+300 con un ancho de carril de 3.50 m (Quintana, 2012).

En la construcción del tramo seleccionado, se demolió la losa de pavimento de concreto tipo JPCP, “Jointed Plain

Concrete Pavement”, y se construyó una losa de concreto hidráulico con doble malla de acero como refuerzo con un

espesor de 18 cm, el arreglo del PCERC se puede observar en la Figura 2. La losa antigua fue construida con un

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espesor aproximado de 32 cm por lo que el espesor restante (12- 15 cm) se cubrió con material granular (base

hidráulica) y base estabilizada con cemento al 5 %.

Fig. 2. Detalle de junta longitudinal entre PCERC y el pavimento rígido.

Para facilitar la evaluación y correlación de los datos del monitoreo estructural del tramo experimental, se decidió

instrumentar una longitud de 16 metros, la cual abarca 7 arreglos de dos mallas, una malla superior a 6 cm de

profundidad y una inferior a 15 cm de profundidad. De los 7 arreglos experimentales 3 arreglos se encuentran

apoyados sobre una base hidráulica y los restantes sobre una base estabilizada. La cercanía de las bases tiene como

beneficio la proximidad de los sensores por lo que la información recopilada puede ser comparada directamente,

usando de referencia el paso del mismo vehículo.

Con el fin de evaluar periódicamente el tramo carretero se implementó un sistema de monitoreo con sensores de fibra

óptica de deformación, temperatura y aceleración (Glisic, 2007) con el objetivo de medir la deformación unitaria en

el concreto y en el acero por efecto del paso de vehículos con diferentes cargas, y a distintas velocidades, la

temperatura en el sistema estructural para obtener el gradiente a lo largo del espesor de la losa de concreto y asociar

estos gradientes térmicos con las deformaciones sufridas en el concreto y en las varillas de acero y finalmente, para

procesar las respuestas dinámicas de aceleración del sistema y comparar las frecuencias naturales del sistema

estructural en el tiempo y evaluar la pérdida de rigidez del sistema.

En la Figura 3 se muestra una vista superior del tramo experimental instrumentado, en ella se observa la posición

relativa de los sensores, el lugar del cambio de base hidráulica a base estabilizada para el pavimento y una grieta

inducida al sistema para evaluar su capacidad estructural bajo agrietamiento.

Fig. 3. Arreglo experimental para la base Hidráulica y la base estabilizada.

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El sistema de monitoreo estructural implementado, consistió en el siguiente conjunto de sensores: 2 acelerómetros

colocados sobre la rodera del lado derecho del conductor, uno para la base hidráulica y otro para la base estabilizada,

5 sensores de temperatura colocados en la base estabilizada espaciados cada 3 cm (Figura 4), dos arreglos de seis

sensores de deformación distribuidos de la siguiente forma: dos sensores en la dirección longitudinal sobre la rodera,

uno para medir las deformaciones del acero y otro para las deformaciones del concreto, dos sensores tranversales al

centro del PCERC de igual forma uno para medir deformaciones en el concreto y otro para medir deformaciones en

el acero y, finalmente, dos sensores logitudinales en la frontera del carril de baja velocidad con el carril de media

velocidad distribuidos de igual manera uno para acero y otro para concreto. Adicionalmente, se indujó una grieta en

la base estabilizada en el km 166+150, sobre este tramo se colocó un arreglo de 15 sensores, 9 para medir las

deformaciones longitudinales y tranversales del acero y 6 para medir las deformaciones longitudinales y

transversales del acero. En la Figura 4 se puede observar la colocación de los sensores sobre las mallas del PCERC.

Fig. 4. Sensores instalados en el tramo experimental carretero.

MONITOREO ESTRUCTURAL

EVALUACIÓN INICIAL

La primera evaluación del pavimento CRCP considera varias medidas que incluyen el International Rougness Index

(IRI), pruebas de deflexión con deflectómetro de impacto (Figura 5a), y la prueba de tráfico controlado. Este último,

para evaluar las respuestas de los sensores debido a cargas conocidas por eje de un tractocamión el cual fue pesado

previamente en pesadoras de manera estática y dinámica a diversas velocidades (Figura 5B).

(a) (b)

Fig. 5. Pruebas de deflexión y pesaje dinámico. (a) Deflectómetro de impacto, (b) Pesaje dinámico

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En cuanto a las respuestas de los sensores, se planearon mediciones dinámicas con el tractocamión de peso conocido

en diferentes momentos durante el día, para evaluar el efecto de la temperatura. En la figura 6 se muestran las

deformaciones unitarias producidas por este tractocamión, en el concreto y en el acero, puede observarse que las

magnitudes de deformación son mayores para ambos materiales en las mediciones realizadas a las 11:56 am, con

respecto a los obtenidos a las 16:53 pm. Este incremento en las respuestas en deformación ante carga controlada

observadas a diferentes temperaturas del día, podría deberse a la perdida de contacto entre la losa y la sub base,

producto del alabeo por el gradiente térmico.

a) b)

Fig. 6. Respuesta de extensómetros ante carga controlada. a) Embebido en concreto, b) Colocado en acero

TEMPERATURAS EN ESPESOR DE LOSA

Durante todo el día la temperatura del interior de la losa de concreto es fluctuante alcanzando un gradiente térmico

desde la superficie hasta los 18 cm de profundidad que va desde 1 grado hasta más de 8 grados. En la figura 7 se

pueden ver algunos de los gradientes de temperatura durante el transcurso del día, puede observarse que durante la

madrugada la superficie se encuentra con una menor temperatura y conforme el día transcurre se invierten los

patrones para que la superficie alcance la mayor temperatura, Invirtiéndose por completo los gradientes térmicos

entre las 9 y 11 de la mañana.

Fig. 7. Gradiente de temperatura durante el transcurso del día.

De las mediciones registradas y analizadas periódicamente, se observó que durante la mañana, cuando el sistema es

más frio, se registran los mayores esfuerzos sobre el PCERC y conforme el sistema se calienta las magnitudes

disminuyen gradualmente. Los registros generados se analizaron para cada cambio en un grado de temperatura

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durante el transcurso de un día y a través de varias mediciones en el tiempo, se corroboró la diferencia en magnitud

de esfuerzos a diferentes temperaturas. Producto de las mediciones realizadas y analizadas, se destaca una

característica particular de comportamiento estructural del PCERC con las distintas bases de sustento del sistema.

Mientras que en la base estabilizada se presentan condiciones de compresión en los sensores de deformación

colocados sobre el concreto y de tensión en los sensores colocados sobre el acero, como era de esperarse, en la base

estabilizada se obtienen mediciones durante casi todo el día de compresión tanto en los sensores de deformación

instalados en concreto como en el acero, lo cual es una situación deseable y que debe estudiarse con detalle.

ESFUERZOS POR EFECTO TÉRMICO

Por otro lado, en la figura 8 se pueden observar los ciclos térmicos completos durante un día en diferentes fechas del

año durante el periodo de medición, el gráfico muestra los resultados de las mediciones del sensor colocado en

concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica, en él se puede apreciar como el sistema conforme se

comienza a calentarse se comprime hasta alcanzar su valor máximo a la temperatura más alta, posteriormente regresa

y forma un ciclo por las diferencias que hay entre la velocidad con la que se calienta con respecto a la que se enfría.

Otra observación importante en la medición y análisis de estas respuestas en el concreto, es el decremento

experimentado en los niveles de esfuerzos térmicos después de los primeros ocho meses, puede verse que la

pendiente en las ciclos de esfuerzos en un día, decrementó después de esos meses, lo cual coincide con incrementos

en los registros de agrietamientos y deterioro en el pavimento, pudiendo deberse al seccionamiento de las masas

entre las que se encuentran los sensores, lo cual es un indicativo del deterioro por fisuración que ha sufrido el

sistema.

Fig. 8. Ciclos térmicos en sensor colocado en concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica.

Sin embargo, de acuerdo al principio de trabajo del sistema, el acero de refuerzo dispuesto en él toma los esfuerzos

térmicos una vez que el pavimento empieza con su proceso de degradación por fisuración, esto queda confirmado

durante las mediciones sobre la malla de acero. En la figura 9 puede verse que, en términos generales, el acero

presenta muy poca variabilidad en su respuesta en esfuerzos durante el tiempo, sin embargo también se presentan

ligeros cambios en la pendiente de los ciclos después de los primeros 8 meses, decrementandose ligeramente el

diferencial diario de esfuerzo monitoreado en el tiempo.

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Fig. 9. Ciclos térmicos en sensor colocado en acero en dirección longitudinal sobre la base hidráulica.

Este fenómeno puede verse también en la sección del pavimento apoyada sobre la base estabilizada, en la figura 10

puede observarse el fenómeno descrito para la base hidráulica. En esta sección, el diferencial de esfuerzo por

temperatura disminuye en el concreto con el tiempo debido al seccionamiento por fisuración en este material, que al

perder continuidad, provoca una disminución en la deformación y esfuerzo locales, registrados en los ahora bloques

de concreto entre grietas.

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Fig. 10. Ciclos térmicos en sensor colocado en concreto en dirección longitudinal sobre la base estabilizada.

Fig. 11. Esfuerzo/°C en sensor embebido en concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica.

El cambio en la respuesta del sistema ante los efectos térmicos, puede verse también en la figura 11, en la cual se

muestra el diferencial de esfuerzo registrado en todo el gradiente de temperatura de 24 horas de medición en los tres

años de monitoreo, puede observarse como durante los primeros 9 meses, este parámetro presenta una disminución

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hasta estabilizarse después de este periodo, en el que los patrones de agrietamiento equidistantes se definen. Después

de ello, este diferencial de esfuerzo mantiene su magnitud, una vez que se ha seccionado el pavimento de concreto.

ESFUERZOS POR CARGAS VIVAS

Al analizar la respuesta del sistema ante cargas vivas, el escenario a lo largo de los tres años de monitoreo estructural

es similar, en la figura 12 vemos los esfuerzos promedio por efecto de esta carga, registrados a la misma temperatura

durante todo el periodo de monitoreo, vemos como en el caso de los esfuerzos térmicos, que las magnitudes de estas

respuestas decrecen y tienden a estabilizarse debido probablemente al seccionamiento del continuo de concreto,

coincidiendo el fenómeno en los mismos periodos de tiempo, se presenta además, la respuesta ante cargas vivas a la

misma temperatura de referencia pero en el ciclo de enfriamiento del sistema (Figura 13), observándose una

respuesta similar a la descrita.

Fig. 12. Esfuerzo promedio por carga viva en concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica (calentamiento).

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Fig. 13. Esfuerzo promedio por carga viva en concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica (enfriamiento).

FRECUENCIA NATURAL DE VIBRACIÓN

De las respuestas dinámicas del sistema, obtenidas de los acelerómetros embebidos en el pavimento, se calcularon

las frecuencias naturales de vibración a través del análisis de paquetes de información de 3 minutos, de 24 horas de

medición durante los tres años de monitoreo del sistema, los resultados de este análisis se observan en la figura 14,

puede notarse que las frecuencias naturales de vibración resultantes han sufrido un corrimiento en el tiempo,

incrementando su magnitud promedio de 18 a 38 Hz. Este incremento en la frecuencia también coincide con los

periodos de tiempo en los que se exponenció su deterioro por fisuración, explicándose posiblemente a través de la

reducción de masa por el seccionamiento del continuo en el pavimento.

Fig. 14. Evolución de la frecuencia natural de vibración del pavimento.

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CONCLUSIONES

Con el monitoreo estructural realizado en este tramo de prueba, a menos de tres años de entrar en operación, se

observa que el efecto de temperatura en el sistema PCERC es fundamental, debido las variaciones térmicas

ambientales dadas, las cuales generan cambios en las deformaciones registradas a lo largo del día. Lo anterior puede

deberse a los cambios en las condiciones de frontera entre el sistema PCERC y la base (hidráulica o estabilizada).

Otro efecto del gradiente térmico es que los esfuerzos originados por un ciclo de temperatura son ligeramente

mayores que los registrados por las cargas vivas de los vehículos, lo cual debe analizarse a detalle, puesto que se

tiene un ciclo térmico al día, comparado con los miles registrados por carga viva en ese mismo día.

Es concluyente que el sistema, en ambas bases, presenta mayores deformaciones a medida que baja la temperatura;

adicionalmente, el pavimento es más sensible a las deformaciones con la base hidráulica, que con la base

estabilizada. La diferencia en las deformaciones por el efecto de la temperatura sobre el PCERC, considerando

ambas bases, podría explicarse por los cambios en las condiciones de frontera entre el PCERC y las bases.

Pudo observarse el cambio en deformaciones, tanto por diferenciales de temperatura, como por cargas vivas

vehiculares y en las frecuencias naturales de vibrar del sistema asociados al agrietamiento y seccionamiento del

sistema y por tanto su ajuste en el modo de trabajo una vez que alcanza ese estado. Adicionalmente, la información

recabada durante los casi tres años de monitoreo, representa una ventaja para un mejor entendimiento del

comportamiento del sistema, lo cual puede llevar a mejoramientos en el planteamiento del diseño de estos sistemas,

optimizando la disposición de los recursos materiales e sin descuidar la calidad de la infraestructura de nuestro país.

REFERENCIAS

Glisic, B., Inaudi D., 2007, “Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring”,Ed. John Wiley & Sons.

Quintana J.A., Carrión F.J., Garnica P. Gutierrez J., Paez, G., Crespo S.E., Gómez A., 2012, “Long term

monitoring of a continuous reinforced pavement highway”, Workshop on Civil Sructural Health Monitoring

(CSHM-4), Berlin Alemania.

Treviño E.L., Olivares A., 2006, “Estudio Experimental del Comportamiento de un Pavimento de Concreto

Reforzado con Mallas Electrosoldadas de Acero de Grado 60”, Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural,

Memorias del XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural, Puerto Vallarta, México.

Zarate M. (2002),“Pavimentos de concreto para carreteras”, Instituto Mexicano del Cemento y el Concreto,

México, (pp. 4), 133 pp.