Descripción de la 2ª campaña experimental

Tras los problemas descritos en el apartado anterior y a la luz de sus posibles causas, se planteó una nueva campaña experimental de los packers. Los bloques de hormigón empleadas en esta mantenían las mismas característica de los de la campaña anterior. No obstante, sus tolerancias dimensionales en cuanto a la planeidad y paralelismo eran mucho más estrictas, siguiendo los límites establecido en la norma UNE- EN 12390-1. Con ello, se garantiza un contacto más uniforme entre el hormigón y los packers, evitando así la aparición de tensiones concentradas en áreas reducidas.

Para la realización de todas las pruebas de esta 2ª fase de ensayos, se emplearon 4 conjuntos de bloques identificados por C1, C2, C3 y C4. En la tabla 6.8 se muestran los diferentes tipos de packers utilizados y los escalones de carga ensayados con cada conjunto. En ella puede verse que los packers de la Línea 9 de Barcelona – caucho y bituminoso, del Túnel de Guadarrama y del Túnel de Pajares en sus dos escalones más bajos de tensión normal fueron ensayados con el mismo conjunto de bloques. Después de cada prueba, los bloques fueron inspeccionados detalladamente no habiéndose encontrado ningún tipo de degradación o fisura.

Tabla 6.8 - Conjunto de bloques empleado en cada ensayo

Presión Vertical (MPa) Línea 9 de Barcelona - Caucho Túnel de

Guadarrama Túnel de Pajares

Línea 9 de Barcelona -

Bituminoso

Presión Vertical

(MPa) Sin Packer

1,5 C1 C1 C1 C1 1,5 C3

8,0 C1 C1 C1 C1 4,0 C4

15,0 C1 C1 C1 C2 8,0 C3

Tal como se esperaba, los packers bituminosos ensayados a 8,0 MPa y 15,0 MPa inutilizaron los conjuntos C1 y C2 ya que las piezas quedan pegadas por la lámina de packer. En la figura 6.22 se muestra el conjunto elevados por el bloque de extremidad superior que se quedó pegado al bloque central y éste, al bloque de extremidad inferior. Por otra parte, el conjunto C4 no pudo ser reaprovechado, dado que en el transcurso del ensayo sin packers (contacto directo), el bloque central quedó dañado por rotura localizada en las esquinas, como muestra la figura 6.23.

A diferencia de lo observado en la primera campaña experimental, no hubo problema en los ensayos de los escalones intermediario y máximo de carga. De hecho, en estos se pudo observar de manera más clara el comportamiento de los packers. Como resultado del empleo de bloques con tolerancias dimensionales más estrictas fue observado un contacto prácticamente uniforme en las juntas superior e inferior. Tal constatación es corroborada por el examen detallado de los packers, los cuales no presentaban ningún indicio de la concentración de tensión en zonas reducidas. Al contrario, las marcas identificadas debido al contacto están distribuidas uniformemente en la superficie de los packers ensayados, como muestra la figura 6.24.

Tracción Compresión

Figura 6.22 – Conjunto C2 tras la vulcanización del packer ante la presión vertical

Figura 6.23 – Conjunto C3 tras el ensayo a 4,0MPa de presión vertical

En ella se aprecian las marcas generadas en el packer del Túnel de Guadarrama (izquierda) y en el packer del Túnel de Pajares (derecha) debido al contacto con los bloques de hormigón a lo largo del ensayo. En ambos casos no se ha cortado la longitud excedente del packer en vías de permitir la comparación entre el acabado de la superficie ensayada que queda entre los bloques con la superficie que no tiene contacto con los mismos. De manera más notable en el caso del packer del Túnel de Guadarrama, se observa la formación de de algunos surcos paralelos al sentido de desplazamiento del bloque central. Ello es un importante indicio del comportamiento estructural de la interface de contacto entre el packer y el hormigón, lo que será mejor descrito en los apartados posteriores.

Figura 6.24 - Marcas debido al contacto identificado en el packer del Túnel de Guadarrama(izquierda) y en el packer del Túnel de Pajares (derecha)

El contacto uniforme en las interfaces también se reflejó en los resultados de los ensayos y en el comportamiento de los bloques a lo largo de la puesta en carga. Tanto uno como el otro se mostraran coherentes con lo que era esperado, no siendo constatada ninguna de las anomalías ya descritas en el

apartado 6.3.2 para la primera campaña experimental. En base a ello, se han aceptado todos los resultados obtenidos en la segunda campaña experimental.

6.3.4. Resultados y análisis

En la figura 6.25 se muestran los gráficos que relacionan la tensión tangencial y el desplazamiento del bloque central para las dos pruebas realizadas con el packer de la Línea 9 de Barcelona – Caucho para una tensión normal de 1,5, 8,0 y 15,0MPa. En los citados ensayos se aprecia una fase inicial en la cual el aumento de la carga tangencial produce un incremento bastante reducido del desplazamiento del bloque central. Este comportamiento puede ser atribuido a la propia deformación del packer frente a la carga tangencial o bien a una acomodación en el conjunto de bloques. En la siguiente fase, se nota un comportamiento ligeramente plástico de modo que el aumento en la carga tangencial está acompañado de incrementos crecientes en el desplazamiento del bloque central. Una vez alcanzada la carga tangencial límite, el bloque central presenta un desplazamiento significativo que caracteriza un tramo de cedencia.

Figura 6.25 – Gráfico de tensión tangencial por desplazamiento para el packer de la Línea 9 de Barcelona – Caucho con tensión axial de: a) 1,5MPa; b) 8,0 MPa y c) 15,0 MPa

Aparte, parece haber una correlación entre la tensión normal aplicada y el inicio de la fase de plastifica. Por un lado, se aprecia que la carga de inicio de la fase plástica aumenta considerablemente en las pruebas que tienen cargas normales más elevadas. Por otro lado, en las pruebas con carga normal más elevada también se observa un comportamiento plástico más claro. Estas constataciones refuerzan todavía más las hipótesis descritas en el estado del conocimiento sugiriendo que la plastificación ocurre en la interface de contacto entre el packer y el hormigón.

En la fase de cedencia se observa que en general la carga tangencial resistida presenta una ligera disminución en valor absoluto. En este ámbito es interesante notar que la bajada en la carga tangencial es menor en las pruebas con tensión normal más elevada. A manera de ejemplo, se comparan las pruebas realizadas con una tensión normal de 1,5MPa, que presentan una clara disminución de la tensión tangencial resistida, mientras que las pruebas realizadas con tensión normal de 15,0MPa prácticamente no presentan disminución en la tensión tangencial resistida en la fase de cedencia.

Este comportamiento también es fuerte indicio de que la plastificación ocurre en la interface entre el packer y el hormigón estando influenciada por la tensión normal aplicada. En las pruebas con tensión normal de 1,5MPa la plastificación observada es bastante reducida de modo que la tensión resistida depende en mayor medida del rozamiento sencillo en la interface. Por ello es natural que haya un bajón en la tensión tangencial en la fase de cedencia de la misma, la cual surge por la diferencia entre el coeficiente de rozamiento dinámico y el coeficiente de rozamiento estático. No obstante, en las pruebas con tensión normal de 15,0MPa la plastificación más clara en la interface indica la existencia de otro mecanismo resistente que actúa en paralelo al rozamiento sencillo. Este mecanismo resistente adicional podría compensar o hacer menos brusco el bajón observado en la fase de cedencia al pasar de una situación de rozamiento estático para otra de rozamiento dinámico.

Cabe señalar que si la plastificación ocurriera únicamente en el packer y no en la interface, el mecanismo de compensación descrito anteriormente no existiría. Por consiguiente, el bajón en la tensión tangencial resistida continuaría a existir en la fase de cedencia independientemente de la tensión normal aplicada. En otras palabras, se debería observar precisamente el contrario de lo constatado en las pruebas con el packer de la Línea 9 de Barcelona – Caucho.

En la figura 6.26 se aprecian los gráficos de la tensión tangencial en función del desplazamiento del bloque central para el packer del Túnel de Guadarrama bajo una tensión normal de 1,5MPa, 8,0MPa y 15,0MPa. En ella se observa que el comportamiento de dicho packer es muy similar al empleado en la Línea 9 de Barcelona – Caucho, aunque las cargas máximas alcanzadas son mayores en el último. Estas similitudes se justifican una vez que ambos packers son del tipo lámina de caucho y no hay grandes diferencias con respecto a las características del acabado superficial mostrado en el Apéndice F.

Figura 6.26 – Gráfico de tensión tangencial por desplazamiento para el packer del Túnel de Guadarrama con tensión axial de: a) 1,5MPa; b) 8,0 MPa y c) 15,0 MPa

En el packer del Túnel de Guadarrama también parece haber una correlación entre el inicio de la fase de plastificación y la tensión normal aplicada. En las pruebas con tensión normal de 1,5MPa aparentemente no hay plastificación. Por otra parte, en los ensayos con tensión normal de 8,0MPa ya se nota cierta plastificación, la cual es todavía más clara en los ensayos con tensión normal de 15,0MPa. Desde un punto de vista del comportamiento en la fase de cedencia, en las pruebas realizadas con tensión normal de

1,5MPa hay un bajón considerable en la tensión tangencial máxima resistida. En cambio, las pruebas con 8,0 y 15,0MPa prácticamente no presentan este bajón.

En suma, se nota que los resultados de los ensayos con el packer del Túnel de Guadarrama respaldan las mismas hipótesis ya descritas para el packer de la Línea 9 de Barcelona – Caucho, es decir, que hay un mecanismo resistente en paralelo al rozamiento sencillo entre las dos superficies. Además de esto, se puede abstraer que el citado mecanismo resistente se desarrolla en la interface packer-hormigón, la cual debe ser la responsable por la fase de plastificación observada de manera más clara en algunas pruebas. En la figura 6.27 se muestran los gráficos de tensión tangencial por desplazamiento para los ensayos con el packer del Túnel de Pajares a tensión normal de 1,5, 8,0 y 15,0 MPa. Se observa que las tensiones tangenciales máximas obtenidas para el este packer son bastante inferiores a las obtenidas para los dos anteriores. Asimismo, el packer del Túnel de Pajares no presentó una fase de plastificación en ningún de los escalones de carga normal ensayados. Otra diferencia observada en dicho packer está en el bajón de la tensión tangencial característico de la fase de cedencia, el cual se mantiene en todos las pruebas realizadas. Por lo tanto, no parece haber ningún efecto de compensación tal como fue observado en la fase de cedencia en los ensayos de los packers de la Línea 9 de Barcelona y del Túnel de Guadarrama a tensión normal de 8,0 y 15,0 MPa.

Figura 6.27 – Gráfico de tensión tangencial por desplazamiento para el packer del Túnel de Pajares con tensión axial de: a) 1,5MPa; b) 8,0 MPa y c) 15,0 MPa

Sin embargo, las observaciones realizadas en el caso del packer del Túnel de Pajares no deben ser consideradas como contrarias a la hipótesis de comportamiento apuntada por los ensayos de los otros dos packers. Lo que sí está claro es que el mecanismo responsable por la fase de plastificación y por la compensación del bajón de tensión tangencial en la fase de cedencia no se manifiesta con la misma intensidad en el packer del Túnel de pajares que en los packers de la Línea 9 de Barcelona y del Túnel de Guadarrama. Ello se debe probablemente a las diferencias que quedan evidentes por el acabado superficial particular del packer del Túnel de Pajares, como se aprecia en el Apéndice F.

Cabe señalar que en la prueba 1 realizada con este material a tensión normal de 1,5 MPa hubo una cierta inestabilidad del conjunto de bloques una vez alcanzada la tensión tangencial límite. En ella también se

nota un bajón importante en la tensión tangencial resistida, la cual en seguida vuelve a aumentar. Hay que tener en cuenta que el packer del Túnel de Pajares es el más estrecho de entre todos los packers ensayados, lo que resulta en la menor carga total de confinamiento de los bloques.

Debido a ello, el inicio del desplazamiento del bloque central es bastante brusco generando la inestabilidad responsable por el bajón en la tensión tangencial, la cual pasa incluso a ser inferior a lo que sería normal en la situación de rozamiento dinámico. Conforme sigue el desplazamiento, el conjunto de bloques gradualmente se reacomoda y recupera la estabilidad, lo que causa un aumento de la tensión tangencial resistida hacia el valor que sería lógico en la situación de rozamiento dinámico. Ante a esto se optó por considerar los resultados de la citada prueba ya que la inestabilidad se manifestó después de la tensión tangencial límite.

Los gráficos que relacionan la tensión tangencial y el desplazamiento son presentados en la figura 6.28 para el packer de la Línea 9 de Barcelona - Bituminoso para los ensayos realizados con una tensión normal de 1,5, 8,0 y 15,0 MPa.

Figura 6.28 – Gráfico de tensión tangencial por desplazamiento para el packer de la Línea 9 de Barcelona - Bituminoso con tensión axial de: a) 1,5MPa; b) 8,0 MPa y c) 15,0 MPa

En ella se nota que la fase inicial es considerablemente más corta en los packers Línea 9 de Barcelona - Bituminoso mientras que la fase con ligera plastificación es más larga y más clara que en los demás packers ensayados. Asimismo, en la fase de cedencia se observa una elevada plastificación con endurecimiento, lo que contribuye para él desplazamiento menos brusco del bloque central.

En el caso de los demás packers se identifica claramente una tensión tangencial límite que coincide con el punto de transición entre la fase ligeramente plástica y la fase de cedencia. Sin embargo, hay cierta dificultad en encontrar el citado punto en los ensayos realizados con el packer Línea 9 de Barcelona - Bituminoso. Frente a esto, se ha optado por definir la tensión tangencial límite de manera simplificada como la correspondiente a un desplazamiento de 2,0 mm del bloque central. Tal procedimiento de determinación de la tensión tangencial límite fue usado para todas las pruebas con dicho packer.

La figura 6.29 muestra la tensión tangencial resistida en función del desplazamiento para las pruebas con tensión normal de 1,5 y 4,0MPa en la situación sin packer, o sea, con contacto directo entre los bloques de hormigón. Se optó por no mostrar en ella los resultados de la prueba con tensión normal de 8,0MPa ya que la misma fue interrumpida antes de alcanzar la carga límite con un desplazamiento casi nulo.

Figura 6.29 – Gráfico de tensión tangencial por desplazamiento en la situación sin packer (contacto directo)

A lo largo de la realización del ensayo se observó una rotura bastante brusca caracterizada por la apertura de fisuras y el rápido desplazamiento del bloque central. Por cuestiones de seguridad, la prueba con tensión normal de 4,0MPa fue interrumpida con un desplazamiento de aproximadamente 0,4mm. Se debe tener en cuenta que en ese momento del ensayo, la carga tangencial total aplicada para sacar el bloque central superaba la carga de normal confinamiento del conjunto en un 28,75%.

El comportamiento del ensayo en la situación de contacto directo presenta una fase inicial más larga en la cual el aumento de la tensión tangencial no produce desplazamientos significativos. En la fase siguiente, empiezan a surgir fisuras mayoritariamente en el recubrimiento de los bloques de hormigón a medida que se acerca a la tensión tangencial límite. A partir de entonces, la apertura de tales fisuras acompaña los incrementos en la tensión tangencial llevando a la medición de un cierto desplazamiento. Una vez alcanzada la tensión tangencial límite, se mide un movimiento considerable del bloque central, habiendo la separación de éste respecto a parte de su recubrimiento.

La figura 6.23 muestra las fisuras que surgieron al final del ensayo sin packer con tensión axial de 4,0 MPa. Estas fisuras tienen una apertura de más de 5 mm de ancho en toda la altura del bloque central, coincidiendo por la parte exterior de la armadura existente en el bloque, tal como puede verse en el esquema de armado del mismo en el Apéndice E.

En una situación ideal de ensayo, se tendría la distribución de tensiones presentada en la figura 6.30. A través de esta queda evidente que los mayores esfuerzos se manifiestan en el bloque central. Analizando en separado este bloque y empleado el modelo simplificado de bielas y tirantes, se evidencian zonas comprimidas trazadas en azul además de zonas en tracción marcadas en rojo e identificadas por los números 1 y 2 de acurdo con la dirección del esfuerzo interno.

Los esfuerzos de tracción en la zona 1 se encuentran contrabalanceados por el efecto de confinamiento producido por la carga normal de compresión que actúa en la misma dirección. Aparte, la propia armadura del bloque contribuye para resistir a estos esfuerzos dificultando la apertura de fisuras. Al contrario, la tracción observada en la zona 2 aparece en el recubrimiento de la pieza donde no hay armadura y el efecto del confinamiento es reducido. Por consiguiente, una vez alcanzada la resistencia a tracción del hormigón, deberían observarse fisuras en esta zona con característica similar al observado durante el ensayo. La consideración de este comportamiento tiene gran relevancia en las la junta sin packer en las cuales debe evitarse la aplicación de cargas en áreas no armadas de la dovela.

Figura 6.30 - Distribución de cargas en el conjunto de bloques

A partir de los las tensiones máximas medidas en las pruebas, se preparó la figura 6.31 que muestra la tensión tangencial límite en función de la tensión normal aplicada para los diferentes packers. En ella se aprecia que para los escalones de tensión normal de 8,0 y 15,0MPa las mayores tensiones tangenciales límite son encontradas para los packers de la Línea 9 de Barcelona – Caucho y del Túnel de Guadarrama. En la misma franja de tensiones normales, los packers del Túnel de Pajares y de la Línea 9 de Barcelona - Bituminoso presentan una tensión tangencial límite considerablemente más baja. Por otra parte, en los ensayos realizados a tensión normal de 1,5MPa las mayores resistencias son medidas para el este último habiendo una pequeña diferencia con respecto al resultados de los packers de la Línea 9 de Barcelona – Caucho y del Túnel de Guadarrama.

Figura 6.31 –Tensión tangencial límite en función de la tensión normal aplicada a las distintas situaciones de contacto

Se observa que la situación sin material de contacto presenta la mayor capacidad de resistir a la tensión tangencial estando bastante por encima de la resistencia presentado por todos los packers, principalmente en los escalones de tensión normal más elevados. No obstante, hay que tener en cuente que en el caso de la prueba realizada con tensión normal de 8,0MPa el valor dado en el gráfico no representa la tensión tangencial límite sino que el valor máxima alcanzado en la prueba. La interrupción del ensayo por cuestiones de seguridad no permitió llegar a la tensión tangencial límite, la cual seguramente es superior al valor mostrado en el gráfico. Aún así, ésta última presenta un claro valor de referencia que da una idea del desempeño de la situación de contacto directo y permite una mejor comparación con los packers.

De manera general se aprecia que los packers presentan un comportamiento no lineal, el cual no puede