Modelación estructural de un puente metálico ferrocarril de viga, tablero superior

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(2) Raras veces fracasan los que perseveran, no temen los que se levantan(…) y siempre vencen los que luchan. Fidel Castro.

(3) Al colectivo de la Estación Comprobadora de Puentes por su apoyo e incondicionalidad. A Jorge D. Bonilla quien materializó con su experiencia y entereza la realización de esta tesis. A mi tutor Alejandro por su desvelo y sacrificio..

(4) Dedico esta tesis a mis seres queridos y más cercanos y todos quienes han contribuido con la labor realizada.. 4.

(5) En este trabajo de diploma se lleva a cabo un análisis del estado técnico del puente kilómetro 9.785 vía Cenizas, debido al avanzado estado de deterioro que presenta y la necesidad de conocer su comportamiento ante las cargas más pesadas que se encuentran circulando sobre el mismo en la actualidad. La información recopilada sobre la obra es insuficiente debido a su prolongada edad de servicio y se delimita a métodos de cálculo analíticos que subestiman la capacidad estructural de la obra. Se demuestra, a través de una amplia revisión bibliográfica, que no existen antecedentes en la modelación de este tipo de estructuras con modelos elasto-plásticos del acero y que existe la posibilidad de evaluar con más exactitud dichos valores. Anterior a un levantamiento estructural para conocer las dimensiones de todos los elementos componentes y un levantamiento patológico para particularizar los deterioros que están afectando a la estructura, se pasa al cálculo de las tensiones actuantes y la capacidad de carga a través de métodos analíticos como el de Tensiones Admisibles y el de Estados Límites. Para ello han sido consideradas las combinaciones de carga más críticas. Se concluye con la determinación de la sección más crítica y el valor de la carga que es capaz de soportar la estructura. A fin de obtener resultados más certeros, se procede a la modelación de la estructura a través del Método de Elementos Finitos (MEF) con el software Abaqus 6.6-1, lo cual ofrece, entre otras ventajas, la incorporación de modelos elasto-plásticos del acero, la descripción detallada de la forma de trabajo de los apoyos, la introducción de las propiedades obtenidas en los ensayos de caracterización del acero, la obtención de la carga última y límite de linealidad del material, así como una amplísima gama de variables de salida que el usuario puede solicitar. Con la modelación ha sido posible establecer las zonas de máximas tensiones y deformaciones, con sus correspondientes valores. Se ha obtenido la capacidad portante de la estructura a través de los criterios de linealidad del material y flecha permisible, para arribar a concluir sobre la exactitud de los métodos analíticos y de modelación numérica computarizada. Se obtiene además el porciento de pérdida de la capacidad de carga de la estructura mediante la comparación de los resultados obtenidos para el modelo deteriorado y el modelo sin deteriorar.. 5.

(6) Indices de temáticas. Página. Introducción. 8. Capítulo1: Revisión del estado del arte sobre la clasificación, principales deterioros, evaluación de la capacidad de carga por métodos analíticos,. instrumentación, ensayos y modelación de un puente de. ferrocarril. 1.1 Generalidades, conceptos y definiciones. 14. 1.2 Partes principales que conforman la estructura de un puente. 14. 1.3 Clasificación de los puentes metálicos ferroviarios. 15. 1.4 Métodos de Evaluación de la capacidad de carga en puentes. 16. 1.5 Método de evaluación de la capacidad de carga en Cuba para puentes metálicos ferroviarios. 17. 1.6 Métodos de evaluación experimental. 18. 1.7 Instrucciones y recomendaciones para la realización de pruebas de carga en puentes de ferrocarril. 21. 1.8 Resultados de las pruebas de carga. 24. 1.9 Sistema de instrumentación para pruebas de carga. 26. 1.10 Definiciones extensométricas. Conceptos básicos. 27. 1.11 Deterioros más frecuentes en puentes de acero de ferrocarril. 30. 1.12 Deterioros más frecuentes en Puentes de tablero superior. 31. 1.13 Ensayos para la caracterización de aceros. 33. 1.14 Aceros, según ASTM, utilizados para la construcción de puentes. 39. 1.15 Métodos numéricos para el análisis de estructuras. 40. 1.16 Concepción general de la modelación. 46. 1.17 Conclusiones del capítulo. 47. 6.

(7) Capítulo 2: Principales características y estudios realizados 2.1 Principales estudios realizados. 48. 2.2 Características fundamentales del puente. 48. 2.3 Principales deterioros, daños y deficiencias detectadas en el puente. 51. 2.4 Resumen del análisis del estado técnico y patológico. 54. 2.5 Ensayos realizados al acero que compone la estructura del puente. 55. 2.6 Ensayo de Instrumentación. 57. 2.7 Sistema de Instrumentación. 59. 2.8 Resultados de los ensayos estáticos. 61. 2.9 Evaluación de los trenes críticos. 64. 2.10 Capacidad de carga. 70. 2.11 Conclusiones parciales. 74. Capítulo 3: Modelacion estructural de la viga en estudio 3.1 Modelación con el software Abaqus 6.6-1. 76. 3.2 Modelación de la viga de estudio. 77. 3.3 Parámetros de calibración del modelo. 78. 3.4 Modelación de los deterioros. 79. 3.5 Estudio del comportamiento tenso-deformacional de la estructura. 84. 3.6 Capacidad de carga con el modelo deteriorado. 100. 3.7 Capacidad del puente en condiciones de diseño. 105. 3.8 Comparación de los resultados de capacidad de carga para los dos estados de conservación. 108. 3.9 Conclusiones del capítulo 3. 110. Conclusiones generales. 112. Recomendaciones. 114. Bibliografía. 116. 7.

(8) En los últimos 40 años se ha incrementado en Cuba la red vial ferroviaria. El desarrollo económico del país en las décadas del 70 y 80 permitió la construcción de gran cantidad de puentes en este tipo de vías, destacándose nuevos puentes en la Vía Central. No obstante una gran cantidad de puentes fueron construidos a finales de los siglos XIX y comienzos del siglo XX, por lo que se encuentran en un estado de deterioro avanzado. Sólo en la región central, en estudios realizados, se ha conocido que de los 240 puentes de vías férreas el 28% están clasificados como de regular a mal, que corresponde al 33% de la longitud total de los puentes. Estos resultados reflejan además aproximadamente la situación general del país. En Cuba la situación económica de los últimos 18 años no ha permitido mantener un régimen de conservación adecuado, lo que unido al desgaste por el uso de estos puentes, ha agravado la situación, aumentándose el deterioro en muchos de ellos y por lo tanto el detrimento de su estado técnico y su condición estructural. Existe la voluntad en el país de acometer la conservación no sólo de los puentes, sino de todo el sistema de la red ferroviaria nacional, por lo que se hace necesario un estudio profundo y la realización de investigaciones científicas que permitan establecer un sistema de conservación. Desde el punto de vista técnico-económico es necesario realizar un estudio que permita evaluar el estado técnico, y validar con mayor grado de efectividad las causas que provocan el deterioro técnico del sistema vial ferroviario y por tanto realizar proyectos para buscar las posibles soluciones tanto en la superestructura 8.

(9) como en la infraestructura de los puentes que conforman estos sistemas. Es de suma importancia la revitalización de todos los elementos que estén deteriorados, cuestión importante para cualquier país que transporte carga por vías ferroviarias y es de destacar, que en otras partes del mundo se realizan trabajos similares, los que no deben ser desatendidos. En la actualidad es reconocido que contar con diagnósticos técnicos acertados y evaluaciones fiables constituyen las premisas fundamentales para la realización de proyectos de intervención técnica, eficaces y eficientes, evaluar y diagnosticar rápido sin hacer uso de ninguna técnica, basándose sólo en el conocimiento adquirido por la experiencia, conocido como criterios de expertos, que sin lugar a duda es una técnica muy valiosa, podría ser poco fiable sobre todo cuando hay poca experiencia o alto grado de complejidad; por otro lado, un uso excesivo de las diversas técnicas, darían sin lugar a dudas, como resultados, diagnósticos acertados y evaluaciones fiables, pero falto de optimización en gastos técnicos, económicos y de tiempo, es por eso que para poder evaluar y diagnosticar correctamente, se hace necesario combinar técnicas de inspección, levantamiento patológico, de modelación e instrumentación, vinculadas al conocimiento, teniendo en cuenta las características de las obras. Este tipo de estudio y enfoque de trabajo combinando y complementando diversas técnicas permite valorar con mayor grado de precisión el estado técnico y conocer las causas que propician el mal estado de los puentes ferroviarios y a su vez posibilita realizar proyectos de intervenciones técnicas fiables y eficientes desde el punto de vista técnico y económico. En la actualidad, dado al bloqueo a que estamos sometidos, existe escasez de recursos materiales y financieros. Esto limita las nuevas inversiones, pero favorece, en cierta medida, la necesidad de conservar todo lo que está en explotación dentro de la red vial ferroviaria y puentes de ferrocarril existentes. Esto, sumado a una alta disponibilidad de fuerza laboral calificada, permite asegurar, que este es el mejor momento para implementar tales trabajos con la garantía de alcanzar resultados satisfactorios. Los puentes tienen valor desde el 9.

(10) punto de vista del sistema de transporte ferroviario ya que son puntos de singular importancia. Planteamiento y Definición del Problema: Insuficiente información acerca del comportamiento estructural actual y la seguridad de circulación del puente Cenizas. Objeto de estudio: El estudio del estado técnico del puente metálico ferroviario: Puente Cenizas Objetivo general: Realizar estudios sobre diagnóstico técnico y evaluación de puentes metálicos ferroviarios, para garantizar diagnósticos acertados y eficientes a partir de la aplicación de un caso de estudio, introduciendo modelos elasto-plásticos del acero. Objetivos específicos: Perfeccionar los estudios relacionados con el diagnóstico estructural y patológico en puentes metálicos ferroviarios, a partir de su aplicación al caso de estudio: Puente Cenizas, utilizando modelos elasto-plásticos del acero. Determinar las condiciones operacionales y la capacidad portante de un puente metálico ferroviario a partir de la modelación con previa calibración, utilizando modelos elasto-plásticos del acero. Tareas científico-técnicas: 1. Recopilación bibliográfica preliminar, definición, aprobación del tema y elaboración del plan de trabajo. 2. Estudio bibliográfico y análisis del estado del arte de la temática. 3. Redacción del Capítulo1. 4. Estudio y análisis de: •. Documentación existente del puente: expediente, planilla de inventario, planos y croquis con levantamiento estructural y patológico, resultados de 10.

(11) ensayos a los materiales y verificación y complementación de la información insitu. •. Diseño del sistema de instrumentación y prueba de carga.. •. Los resultados de la prueba de carga.. 5. Selección de las variables y puntos de calibración. 6. Creación del primer modelo y compararlo con los resultados de las pruebas de carga. 7. Calibración numérica y física del modelo con técnicas de superficie de respuesta. 8. Análisis del comportamiento estructural y del estado tenso-deformacional en estado elástico. 9. Redacción del capítulo II. 10. Inclusión en el modelo calibrado de modelos elasto-plásticos del acero. 11. Análisis del comportamiento estructural y del estado tenso-deformacional en estado plástico. 12. Determinación de la capacidad de carga y comparación con la obtenida a través de las normativas. 13. Redacción del Capítulo III 14. Redacción de las “Conclusiones y Recomendaciones”. 15. Análisis del contexto global de la tesis.. Hipótesis: A partir de la modelación estructural con previa calibración, se puede estimar con mayor precisión la capacidad de carga de puentes metálicos ferroviarios de vigas construidas tablero superior.. Novedad científica: Se aplican y perfeccionan estudios relacionados con el diagnóstico técnico y evaluación de la condición estructural de puentes metálicos ferroviarios de vigas. 11.

(12) construidas de tablero superior con un enfoque integrador, introduciendo en el proceso de modelación modelos elasto-plásticos del acero. Resultado práctico: Se realiza el diagnóstico y evaluación del estado técnico, se determina capacidad de carga y condiciones de operación de la obra de fábrica y se establecen recomendaciones y procedimientos para la modelación de este tipo de puentes. Aportes: Aportes Metodológicos: Se establecerán recomendaciones, secuencias y procedimientos para la calibración numérica y física de modelos de puentes metálicos ferroviarios de viga construida tablero superior, así como para el proceso de modelación con el uso de modelos elasto-plásticos del acero de tipología puentes metálicos ferroviarios de tablero superior. Aportes Técnicos: El resultado de este trabajo es un nuevo conocimiento técnico acerca de la aplicación de sistemas computacionales al cálculo de los puentes de ferrocarril metálicos. Aportes Económico y Sociales: Con el uso de técnicas de modelación asistida por ordenadores se optimiza el sistema de instrumentación de las pruebas de carga lo cual implica menor consumo de sensores entre otros factores, reduciendo los costos de los ensayos de carga. Al contar con una evaluación más precisa del estado técnico de estos puentes se pueden obtener proyectos de reparación más eficaces y eficientes. Por otra parte se pueden fijar condiciones operacionales fiables repercutiendo directamente en mejores condiciones de circulación y consigo ahorro de combustible y tiempo.. 12.

(13) Estructura del trabajo: La posible estructura del trabajo de diploma estará conformada por una introducción. general,. tres. capítulos,. las. conclusiones,. recomendaciones,. bibliografía, así como los anexos correspondientes. La estructura y orden del trabajo se establece a continuación: Síntesis o Resumen Introducción Capítulo I: Revisión Bibliográfica.-. En este capítulo se realiza el estudio. bibliográfico y un análisis del estado del arte de la temática, lo que posibilita justificar el desarrollo de la investigación. En el mismo se exponen los antecedentes. sobre:. pruebas. de. carga. en. puentes,. sistemas. de. instrumentación para pruebas de carga, ensayos para la caracterización de aceros, métodos numéricos para el análisis de estructuras, modelación de estructuras y daños, modelos elasto-plásticos del acero, determinación de capacidad de carga en puentes de ferroviarios,. diagnóstico de puentes. metálicos ferroviarios; haciéndose un análisis de la bibliografía al respecto y destacándose los fundamentos teóricos principales. Capítulo II: Se expondrán las principales características y principales patologías del puente. Se realizará el análisis y expondrán los resultados del estudio documental, así como el estudio de instrumentación y los resultados de los ensayos estáticos y dinámicos. Se expondrá el análisis de la evaluación de la capacidad operacional de la viga, mediante los métodos de evaluación por estados límites y tensiones admisibles y se proporcionará los resultados obtenidos de capacidad de carga por los dos métodos usados en la evaluación. Capítulo III: En este capítulo se hará la calibración del modelo y el análisis del comportamiento estructural del modelo elástico. Se hará un estudio del estado tenso-deformacional mediante los modelos previamente calibrados, así como las características y consideraciones de los mismos. Se evaluará modelos en estado elasto-plástico, para hallar la capacidad de carga con la estructura sin deterioros y con la presencia de estos en su estado actual. Se expondrán los. 13.

(14) resultados de estos, mediante la modelación y la comparación con la capacidad de carga hallada por los métodos normativos. Conclusiones Recomendaciones Bibliografía. 14.

(15) Capítulo1:. Revisión del estado del arte sobre la clasificación, principales deterioros, evaluación de la capacidad de carga por métodos analíticos,. instrumentación, ensayos y modelación de un puente de. ferrocarril. 1.1 Generalidades, conceptos y definiciones Los puentes son estructuras de vital importancia dentro del sistema vial de un país. Tanto los puentes de carreteras como los de ferrocarril son estructuras que requieren. ser. conservadas,. son. de. extrema. importancia. para. el. buen. funcionamiento del sistema vial, su estudio dentro del campo de la ingeniería civil es un aspecto imprescindible. Un Puente, es una obra de fábrica destinada a salvar obstáculos naturales como ríos, valles, lagos o brazos de mar u obstáculos artificiales para el funcionamiento de vías férreas, carreteras, caminos, etcétera, con el fin de unir caminos de viajeros, animales y mercancías.. 1.2 Partes principales que conforman la estructura de un puente Un puente está conformado por dos partes fundamentales: Subestructura: La subestructura o infraestructura esta formadas por los estribos o pilares extremos, las pilas, los cimientos, que forman la base de ambos y los aparatos de apoyo. Superestructura: La superestructura de un puente puede estar formada por los elementos estructurales conocidos: losas, vigas, arcos, armaduras, en el caso de los puentes de ferrocarril forma parte también de la superestructura la cama de la vía sobre el puente. 15.

(16) 1.3 Clasificación de los puentes metálicos ferroviarios Los puentes en Cuba, según la NRMT 235:86 se clasifican según el material y el tipo de superestructura, teniéndose así la siguiente clasificación:. Metálicos: Estos pueden ser de armadura, viga de alma llena conformadas, vigas laminadas y paquetes de carriles. - Armadura: pueden ser de tablero superior o tablero inferior. - Vigas de Alma Llena conformadas: pueden ser tablero superior, tablero intermedio y tablero inferior. - Vigas laminadas. - Paquetes de carriles. Hormigón pretensado: - Losa y Viga. Combinados: - Acero y Hormigón. - Acero y Madera. Hormigón Armado: Estos pueden ser principalmente de losa, viga y losa, arcos y armaduras. - Losa: Los puentes de losa pueden ser macizos o aligerados. La losa presenta una ventaja grande con respecto a otras soluciones y es su pequeño peralto, el cual permite reducir la rasante del puente y por tanto disminuir los terraplenes de acceso. - Viga y losa: Estos puentes consisten en una serie de vigas unidas mediante una losa. A veces tienen vigas transversales llamadas diafragmas. - Arcos: Están constituidos básicamente por una sección curvada hacia arriba que se apoya en unos soportes o estribos y que abarca una luz o espacio vacío. Existen puentes de arco de tablero superior y de tablero inferior.. 16.

(17) - Armaduras: Estos puentes están formados básicamente por dos armaduras principales, formadas también por vigas transversales y longitudinales, el peso de la cama del puente se transmite a través de. las vigas longitudinales a las. transversales y de ellas a las armaduras principales.. 1.4 Métodos de Evaluación de la capacidad de carga en puentes Los dos métodos normativos de evaluación de carga más comunes son los métodos basados en tensiones admisibles y estados límites, variando estos en cuanto a las especificaciones reflejadas en los códigos de las diferentes zonas o países. La evaluación de la capacidad de carga de los puentes se realiza tanto para puentes de carretera como para puentes ferroviarios mediante el factor de evaluación donde se considera la combinación de carga más probable, carga permanente y carga accidental. El factor de evaluación se determina casi universalmente por la siguiente expresión:. F.E=. γ R Rn - γ P P γ CA C A ×(1+µ). (1.1). Donde: Rn: resistencia nominal del miembro. γR: factor de resistencia (solo en estados límites) P: efecto nominal de la carga permanente (carga muerta) γP: factor de carga permanente (solo en estados límites) CA: efecto nominal de la carga accidental γCA: factor de de la carga accidental (solo en estados limites) (1+µ): factor de impacto de la carga accidental.. Si F.E es menor que uno, los efectos de la carga accidental ocasionado por el vehículo de evaluación excede la capacidad menos los efectos de la carga muerta. 17.

(18) 1.5 Método de evaluación de la capacidad de carga en Cuba para puentes metálicos ferroviarios El principio de evaluación por el método de clasificación consiste en que la carga vertical accidental que el elemento es capaz de soportar sin peligro y con una explotación regular, se expresa en unidades de carga de referencia y al número de unidades de carga de referencia determinado, se le llama clase del elemento, siendo la clase de la estructura (Ke) la menor de las clases de sus elementos. En este caso se determina (Ke) para el elemento cuando fue diseñado y el (Ke) agregando al cálculo todas las patologías que se recogieron en la investigación, que es en definitiva la clase del elemento actual, la más importante al hacer la comparación. Pues quien determina la capacidad de carga actual. Al igual que la estructura, se clasifica el material rodante, o sea trenes. En la clasificación del material rodante se expresa su acción sobre la estructura en unidades de la misma carga de referencia, en este caso, el número de unidades de referencia se llama clase de la carga o clase del tren (Kt). Para la determinación de (Kt) se combinan todos los tipos de locomotoras y vagones existentes en el país y que crucen sobre el puente, se forman los distintos trenes de cargas y de ello se escoge (Kt) de mayor efecto sobre la estructura. La comparación de la clase de la estructura (Ke) con la clase del tren (Kt), permite juzgar si un elemento dado de la estructura es capaz de resistir una carga (tren) determinado. Si la clase de la estructura (Ke) es igual o superior a la clase de un tren determinado (Kt), se podrá autorizar el paso del tren por el puente, en caso contrario, se recurre a disminuir el efecto dinámico. El efecto dinámico es tomado como el factor de incremento de carga por cuestiones del incremento de la velocidad. Existe para cada tren de carga una expresión del coeficiente dinámico según el tipo de tracción del vehículo, ya sea por vapor, eléctrica o diesel. Con la reducción de la velocidad, se trata al menos igualar la clase del tren a la clase del puente, en caso que esto no se pueda lograr se prohíbe el paso del tren hasta tanto no se realicen los trabajos de refuerzo correspondientes, sobre todo en los 18.

(19) elementos críticos. Este método es de origen Soviético (Ruso) y está basado en el método de tensiones admisibles, el mismo ha sido adaptado en décadas pasadas a las condiciones de explotación en Cuba.. 1.6 Métodos de evaluación experimental Son varios los métodos y técnicas que se emplean para evaluar la condición estructural de los puentes y en los últimos años han ganado terreno los métodos experimentales no destructivos, ya que estos métodos permiten tener una predicción más precisa de la condición estructural y capacidad de carga de los puentes. Son dos los tipos de ensayo de carga no destructivos comúnmente usados para evaluar el comportamiento de los puentes: 1. Ensayos de Diagnóstico 2. Ensayos de Prueba Ensayos de Diagnóstico: Los ensayos de diagnóstico son generalmente empleados cuando los planos del diseño original de un puente no existen para crear un modelo analítico y representativo. El puente es cargado a un nivel por debajo de su límite elástico, en la figura 1.1, se muestra el análisis de una respuesta hipotética de carga que representa el estudio de manera estática o semi-estática. En un ensayo estático, la carga de prueba se mantiene en una posición específica mientras se toman los datos del ensayo y en el caso semi-estático, el tren de prueba es conducida a baja velocidad mientras se toman los datos en diferentes puntos transversales a lo largo del puente. Las medidas de deformación y deflexión son tomadas en varios puntos para determinar la distribución de la carga y las características de rigidez del puente. En algunos casos se aplican altas velocidades para determinar los efectos de impacto dinámico, en el caso de un puente metálico que está muy deteriorado, habría que ver si será posible a aplicar este último sin peligro. Después del ensayo, 19.

(20) los datos de campo son comparados con los resultados del modelo para determinar el comportamiento del puente y estimar su capacidad.. Figura 1.1: Respuesta hipotética de carga Mientras los ensayos de carga puedan ser de práctica común para determinadas compañías en el mundo, existen otras aplicaciones notables de ensayos de carga no destructivos para determinar el rango de los puentes. Mediante el ensayo de diagnóstico, Zhou (1996) confirmó las acciones compuestas inesperadas y ajustó el factor de repartición de las cargas de la AASHTO para incrementar la evaluación de carga de una viga placa de un puente en el oeste de Maryland por 50%. Commander y Schulz (1997), Azizinamini et al. (1994), Huria y otros en el (1994), y Saraf en el (1998), realizaron estudios relacionados con la evaluación experimental de los puentes de planchas de concreto armado. Ghosn y otros en (1986) realizaron ensayos en cinco puentes de Ohio bajo cargas normales de tráfico para determinar la distribución de carga y los factores de impacto dinámico. El peso de los ejes y la separación de los vehículos fueron obtenidos usando la tecnología de peso en movimiento. El objetivo del estudio fue el de evaluar el potencial para hacer medidas de campo bajo condiciones actuales de carga para la evaluación de los puentes. En cuatro de los cinco puentes, los factores de evaluación aumentaron por un 23 a 50% cuando los datos de campo de la. 20.

(21) distribución de carga y los factores de impacto fueron usados en lugar de los valores de AASHTO. Ensayos de Prueba; El objetivo principal de un ensayo de prueba es validar el comportamiento estructural de un puente bajo cargas sometidas con el fin de ver si la estructura es segura o no. En situaciones donde un modelo analítico no puede ser desarrollado como resultado de la inexistencia de planos de diseño o cuando el puente ha sufrido un deterioro severo, el ensayo de prueba es preferido. El ensayo de prueba también se emplea en casos donde es difícil el análisis con modelos lineales y/o problemas de instrumentación en el campo. Antes de realizar cualquier prueba de carga se hará un estudio del puente. Este estudio consistirá de un análisis de cada elemento que compone el puente y las características físicas y mecánicas de cada elemento del mismo. Antes de proceder a realizar el ensayo, se determina una carga de prueba, lo cual produce los efectos del vehículo (en este caso un tren de prueba), para la evaluación, tomando en cuenta los incrementos producidos por los diferentes estados de carga. La carga de prueba puede ser aplicada sola o en secuencia. El primer caso puede ser ejecutado más rápidamente pero es más susceptible a causar daños al puente. El segundo caso resulta en un ensayo de carga más controlada donde las deformaciones y deflexiones máximas pueden ser monitoreadas durante cada incremento de carga para asegurar que el ensayo de la carga proceda como ha sido planeado. Normalmente, las medidas son tomadas en algunos puntos críticos para monitorear la condición del puente durante el ensayo. Después de cada incremento de carga, el grado de recuperación de deflexión y/o deformación es usado como una indicación de la condición del puente y es un factor decisivo para proceder al siguiente nivel de carga. El ensayo llega a su punto final cuando la carga fijada ha sido alcanzada o la reacción del puente llega a ser no linear. La carga final colocada sobre el puente es considerada como la capacidad factorizada y es reducida por el impacto y los factores de la carga viva para obtener la evaluación de rango del puente. 21.

(22) Según David Jáuregui. Los dos métodos se diferencian desde el punto de vista del nivel de carga aplicada al puente, la cantidad y el significado de las medidas tomadas, y la manera como se usan los resultados experimentales para determinar la evaluación de carga. En adoptar el ensayo de carga como parte del proceso de la evaluación de los puentes, ha sido demostrado mediante sus casos de estudio que el ensayo no destructivo de carga es un medio muy efectivo para mejorar la capacidad de la evaluación de un puente. Distinto al ensayo de prueba, en donde la decisión de la evaluación puede hacerse, basándose en deformaciones específicas y/o deformaciones obtenidas durante un ensayo, concluye que en los ensayos de diagnóstico se requiere un análisis más riguroso de los datos después de los ensayos.. 1.7 Instrucciones y recomendaciones para la realización de pruebas de carga en puentes de ferrocarril La capacidad portante de un puente de ferrocarril se halla mediante la utilización de modelos que se asemejen al problema real, pues no contamos con una prueba específica en la práctica que nos arroje resultados concretos sobre la capacidad última de carga de una estructura que se encuentra en explotación, para ello se necesitaría incrementar la carga hasta que falle y entonces de nada serviría. Pero si contamos con herramientas para la modelación del problema real y si existen pruebas para calibrar este modelo mediante resultados experimentales que se realizaron en la estructura, estamos en el camino correcto para el estudio eficiente de cualquier obra de fábrica que se quiera estudiar. En principio parten de dos pruebas fundamentales de carga que arrojan un patrón de respuesta de la estructura, estas son: pruebas estáticas y pruebas dinámicas. Antes de realizar cualquier prueba de carga se hará una inspección del puente. En los puentes en servicio, deberán determinarse las características físicas y mecánicas de los distintos elementos estructurales en el caso de que no se dispongan. 22.

(23) Previamente a la realización de la prueba de carga, se deberá disponer de un proyecto en el que se recojan todas las especificaciones necesarias para su ejecución, tales como trenes y estados de carga, puntos de instrumentación, medios auxiliares necesarios, valores previstos en los distintos aparatos de medida, criterios de estabilización de las medidas, tratamiento de los valores remanentes, criterios de aceptación de la prueba, material ferroviario a utilizar, etcétera. En todos los puentes se realizarán siempre pruebas de carga que reproduzcan los estados de carga más desfavorables. Estas serán estáticas y dinámicas, a distintas velocidades, incluyendo las pruebas de frenado y las cuasiestáticas a las velocidades mínimas que permitan los trenes de carga. El tipo de magnitudes a medir durante la prueba, así como el número y la situación de los puntos de medida, serán los adecuados para permitir la correcta evaluación del comportamiento de la estructura en sus diversos estados de carga. En general, se. medirán. sistemáticamente. flechas. y. deformaciones. unitarias,. complementándose en las pruebas dinámicas con medidas de aceleraciones y/o velocidades, así como de flechas y desplazamientos horizontales de los apoyos, en su caso. Podrán realizarse pruebas simplificadas, con reducción en el nivel de instrumentación o de los estados de carga, en los casos de puentes con gran número de vanos similares o de varias obras iguales e independientes. Se consideran vanos similares, los de idéntica solución estructural y cuyas diferencias de luz no superen el 10%. También son de aplicación estas pruebas en la comprobación de refuerzos locales. El diseño de la instrumentación y el planteamiento de la prueba se realizarán de forma que se minimice la influencia de factores externos (temperatura, humedad, etc.), tanto sobre la estructura, como sobre los equipos de medida. El equipo de medida permitirá el registro automático y continuo de las medidas que se realicen y su visualización en tiempo real, incluyendo la temperatura y la humedad.. 23.

(24) El nivel de carga alcanzado durante las pruebas estáticas deberá ser representativo de las acciones de servicio. Para ello, las solicitaciones estáticas obtenidas en las secciones críticas, excepto en puentes de luces menores de 10m o con una sola vía, pero proyectadas para admitir dos, en las que no sea posible alcanzar estos valores, deberán estar en torno al 60%, sin superar nunca el 70%, de los valores estáticos teóricos producidos por el tren de cargas ferroviario del proyecto constructivo. En caso contrario deberá justificarse la representatividad de la prueba. Durante la prueba se inspeccionará el comportamiento de los elementos relevantes del puente, realizando una inspección completa al final de ésta. En estructuras de hormigón se controlará cualquier proceso de fisuración previo o sobrevenido durante la prueba.. Pruebas estáticas: En primer lugar, y una vez aplicados los criterios de estabilización de las medidas al final de cada escalón de carga y de descarga, se comprobará que los valores remanentes en cada estadío cumplen con los criterios del proyecto de la prueba. En cualquier caso, dichos valores, expresados en forma de porcentaje respecto a los máximos medidos en el escalón, cumplirán lo siguiente: ¾ Puentes de hormigón armado: menor de 20%. ¾ Puentes de hormigón pretensado y mixto: menor de 15%. ¾ Puentes metálicos: menor de 10%. En segundo lugar, se verificará que el porcentaje entre las flechas máximas obtenidas y las previstas en el proyecto de prueba de carga: ¾ Estas serán mayor del 60%. ¾ Menor de: 115% en puentes de hormigón armado o mixto. 110% en puentes de hormigón pretensado o metálico.. 24.

(25) Si se cumplen todas las exigencias anteriores, se considera que los resultados de la prueba son satisfactorios, y por tanto es válida. En caso contrario, se determinarán las causas en el correspondiente informe de la prueba, analizando si se justifica el resultado, declara la validez o no de la prueba. En el caso de prueba simplificada en un vano, ésta se considerará válida, si los resultados obtenidos en éste, no se desvían más de un 10% de los medidos en el vano al cual se hayan asimilado, una vez afectados estos por la corrección debida a la diferencia de luces. Pruebas dinámicas: En este tipo de pruebas se deberá realizar una interpretación de los resultados en consonancia con los trenes de carga y velocidades ejecutadas. Las magnitudes a evaluar serán la frecuencia principal de vibración o su defecto, la correspondiente al modo provocado durante la prueba, su amplitud, el amortiguamiento, el coeficiente de amplificación dinámica o de impacto, las aceleraciones verticales en el centro de vano y los desplazamientos horizontales de los apoyos, serán de vital captación en los resultados.. 1.8 Resultados de las pruebas de carga El Director de la prueba elaborará un informe con los resultados de la misma, en el que se recogerá información sobre: fecha de realización, trenes de carga empleados, estados de carga, situación y tipología de los puntos de medida, información sobre el desarrollo e incidencias durante la prueba, registros de las magnitudes medidas y comparación con los valores previstos, valoración del cumplimiento de los criterios de aceptación y cualquier otro aspecto que se considere de interés. Dicho informe deberá recoger también una evaluación de la aptitud del puente para el servicio, en función del estado y comportamiento estructural (tenso25.

(26) deformacional, fisuración, etcétera.) de sus elementos relevantes, aparatos de apoyo, equipamiento, entre otros. Desde el punto de vista exclusivo del comportamiento estructural, para evaluar la aptitud para el servicio en los puentes metálicos calculados antes de la entrada en vigor de la Instrucción relativa a las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril de 1975, así como para determinar, en su caso, los plazos para su reparación o refuerzo, deberán utilizarse los siguientes criterios: ¾. Si en todas las secciones, el cociente entre el valor del límite. elástico y las tensiones obtenidas extrapolando los resultados de la prueba a las máximas sobrecargas verticales de explotación habituales de la línea es superior a 1,45, el puente es apto para el servicio. ¾. Cuando el cociente anterior esté comprendido entre 1,30 y 1,45,. las actuaciones de reparación o de refuerzo deberán estar finalizadas en un plazo máximo de cuatro años a partir de la fecha de la prueba de carga, salvo que, debido a la gravedad de aquellas, se hubiera fijado un plazo inferior. ¾. Cuando el cociente sea inferior a 1,30, las actuaciones de. reparación o de refuerzo se acometerán inmediatamente, imponiéndose mientras tanto las limitaciones de carga o de velocidad necesarias para alcanzar, como mínimo, un valor de 1,30. Cuando la aparición de un cociente inferior a 1,30 se produzca en secciones próximas a los nudos, donde los momentos secundarios tengan especial relevancia, y siempre que dichos elementos no presenten daños visibles, se permitirá acometer las reparaciones y actuaciones de refuerzo en el mismo plazo que en el apartado 2, o sea cuatro años después de realizada la prueba de carga, siempre que se mantenga mientras tanto una adecuada vigilancia que permita detectar cualquier variación.. 1.9 Sistema de instrumentación para pruebas de carga El desarrollo de los métodos de medida de esfuerzos ha venido impuesto por la necesidad de la producción masificada, que recibió un impulso definitivo a partir de la segunda guerra mundial. En el prólogo de un libro de resistencia de materiales 26.

(27) de 1930 ya es patente esa situación. Los tipos de máquinas y estructuras cambian muy rápidamente, con preferencia en las nuevas ramas de la industria y, por lo general, el tiempo no permite que se reúnan los datos empíricos necesarios. El tamaño y coste de las estructuras aumenta constantemente, lo que origina una exigencia cada vez mayor en la seguridad de las mismas, cada vez tiene más importancia en el proyecto el factor economía, dadas las condiciones actuales de competencia. La construcción debe reunir las condiciones necesarias de solidez y seguridad, y sin embargo, reducir al mínimo el gasto de materiales. En estas condiciones, el problema se presenta excepcionalmente difícil para el proyectista. La reducción del peso en la estructura implica un aumento en la fatiga de trabajo, que solamente puede conseguirse una posible optimización mediante un cuidadoso análisis de la distribución de las fatigas en la estructura y la investigación. experimental. de. las. propiedades. mecánicas. de. los. materiales utilizados. [Chagoyén, 2005] La instrumentación de la estructura consiste, básicamente, en la colocación en puntos prefijados en el proyecto de prueba de carga, de aparatos de medida de flechas, deformaciones, giros, aceleraciones, etc. Una buena instrumentación combinada con otras técnicas como la modelación, inspección y levantamiento patológico permite dar un adecuado diagnóstico, el mismo que conduzca a dar las soluciones más fiables y eficientes desde el punto de vista técnico.. 1.10 Definiciones extensométricas. Conceptos básicos Robert Hooke estableció en 1678 la relación que existe entre tensiones y deformaciones en los cuerpos sometidos a solicitaciones mecánicas que se propicien en un rango elástico. Si el material es isótropo y homogéneo y no se sobrepasa su límite elástico entonces la relación es lineal y se cumple la Ley de Hooke. [Chagoyén, 2005]. Basándose en este principio, la extensometría es el método que tiene por objeto la medida de las deformaciones superficiales de los cuerpos, que como se hace referencia anteriormente solo es aplicable en 27.

(28) materiales que se encuentren en comportamiento elástico y mediante el uso de galgas extensométricas. Clasificación de las medidas extensométricas: Tomando como criterios la evolución de los esfuerzos a medir según [Chagoyén, 2005] se puede tener: ¾ Medidas estáticas, que comprenden el estudio de esfuerzos que varían lentamente en función del tiempo, como es el caso de la estructura de una presa cuando crecen las aguas. ¾ Medidas estáticas - dinámicas, que consiste en la medida simultánea de esfuerzos sujetos a variación rápida y de esfuerzos de desarrollo lento. En el caso de un puente cuando soporta el paso de un vehículo. ¾ Medidas dinámicas, que se limitan a la componente de variación rápida. Un caso típico es la medida de vibraciones en el equilibrado de rotores.. Galgas extensométricas: Entre los diferentes procedimientos que existen para convertir las deformaciones en señales eléctricas proporcionales, el más extendido es el que utiliza elementos cuya resistencia eléctrica varía en función de pequeños cambios de longitud. Estos elementos van adheridos a la superficie del material de prueba, formando un conjunto, y reciben el nombre de galgas extensométricas. Existen dos tipos fundamentales de galgas: Galgas metálicas y galgas semiconductores. Partiendo del puente de Wheatstone como principio fundamental según [Alonso, 1989], son dos los procedimientos para medir el desequilibrio que se produce tras la deformación de las galgas, el método directo y el método de cero.. Método directo: consiste en medir la diferencia de potencial presente en los bordes de salida del puente con la ayuda de un voltímetro de presión. Este procedimiento exige amplificación previa de la señal y de la fuente de excitación muy estable.. 28.

(29) Método de cero: consiste en restablecer el equilibrio en el puente, ya sea introduciendo resistencias en las ramas o bien una tensión opuesta a la del desequilibrio. Este último procedimiento se conoce también como método de oposición. En el método de cero, la fidelidad de las medidas es independiente de la tensión de alimentación y de las variaciones de ganancia del amplificador. Todo depende de la fiabilidad del potenciómetro, que esta asociado a un cuadrante o contador, donde se leen directamente la micro-deformación. Por el contrario, aunque se utilice un servomecanismo se emplea bastante tiempo en restablecer el equilibrio. De ahí que este reservado a las medidas estáticas. La medida de deformaciones con galgas extensométricas exige meticulosidad en el procedimiento. Debido a la cantidad de variables que es preciso controlar. Por lo general se desconocen las direcciones principales de los esfuerzos. [Alonso, 1989] Además de las galgas extensométricas según [Alonso, 1989] existen otros equipos de instrumentación, entre los cuales anotamos los siguientes: Transductores magnéticos: Se utilizan en la medición de desplazamientos. Constan de una base fija generalmente apoyada en el terreno y de un núcleo móvil unido a la fibra interior de las vigas con un alambre de acero, que se mantiene tenso mediante un resorte. Las señales proporcionadas por los transductores se recogen a razón de una muestra por segundo durante la realización de las pruebas estáticas, y 70 muestras por segundo en las pruebas dinámicas. Sensores Láser: Con este equipo de registro continuo se obtienen mediciones de desplazamiento y velocidad en un punto determinado del puente. El empleo de este equipo es de gran utilidad en aquellos casos en que se imposible utilizar los instrumentos de medición antes reseñados, dado que no requiere conexión física con el terreno bajo el tablero. Básicamente consta de un diodo que emite un haz dirigido hacia el punto de la estructura cuya magnitud se desea monitorizar y en el que previamente se fija una lámina reflectante. 29.

(30) Acelerómetros: Para las pruebas dinámicas, se puede disponer de varios acelerómetros con y sin compensación interna de 1g para el registro de aceleraciones verticales y horizontales. Durante la realización de las pruebas estáticas y dinámicas, se debe contar con un sistema de adquisición de datos que permite registrar de manera continua la señal de salida de los distintos aparatos de medida, pudiéndose visualizar en tiempo real en la pantalla de ordenador. Este equipo reúne las siguientes características: ¾ La adquisición de datos se efectúa en forma automática. Se garantiza la estabilidad de las medidas a lo largo del tiempo, evitando derivas de los resultados durante los ensayos. ¾ La velocidad de adquisición de los datos es superior a 30000 lecturas/segundo/canal, durante un período de registro mínimo de un minuto. ¾ El número máximo de canales en funcionamiento simultáneo es de treinta y dos, en su configuración base, por lo que resulta muy adecuado para las pruebas de este tipo. ¾ Los datos de los ensayos se graban en tiempo real, a fin de evitar retrasos o pérdidas de información. ¾ En cualquier instante, durante el desarrollo de las pruebas, el sistema es capaz de suministrar la información necesaria de cada aparato, de manera numérica y gráfica. ¾ Los valores que proporciona el sistema están afectados por las correspondientes correcciones (constantes de calibración, longitudes y secciones de cable, tensión de excitación, entre otras que devienen incertidumbres propias en los resultados de la prueba.). 30.

(31) 1.11 Deterioros más frecuentes en puentes de acero de ferrocarril Los deterioros. presentes en puentes metálicos ferroviarios son diversos y. dependen de la tipología, características articulares y del tipo de elemento utilizado para las uniones, ya sea remaches, pernos o soldaduras, en cada uno de ellos y que de alguna manera puedan afectar directamente el comportamiento estructural de los elementos o la seguridad de la vía. Esto implica que como consecuencia de los deterioros que presentan los elementos que conforman estos puentes, pueden propiciar que el elemento se vea afectado en un nivel bajo, medio o alto, y que esto a su vez ocasione una disminución de la capacidad portante del puente lo cual ocasionaría en algún momento un fallo por resistencia de la estructura en magnitud de la cantidad de elementos que se encuentren en mal estado. La gravedad del deterioro y la agresividad del medio ambiente, además de que también podría ocurrir que deje de cumplir con la deformación máxima permisible en este tipo de puentes. Enfocada con el fin de la modelación y evaluación, es preciso estudiar y observar un número considerable de estructuras que nos permitan hacer una estimación de cuales son los daños más frecuentes y sus causas.. 1.12 Deterioros más frecuentes en Puentes de tablero superior Por corrosión: El deterioro más común y dañino en los puentes metálicos es la corrosión, muy generalizada por las condiciones de humedad de nuestro clima y la falta de un debido mantenimiento en los puentes. En este caso se comentará sobre los fundamentales deterioros desde un punto de vista estructural en los elementos. Las vigas de acero de esta tipología se ven atacadas por la corrosión en las platabandas superiores, debido a que es en esta donde apoyan las traviesas de madera, manteniendo así la humedad un mayor período de tiempo y siendo más complicado su mantenimiento y aplicación de pinturas. Esto afecta la rigidez de la 31.

(32) viga, aun cuando la resistencia no ha sido afectada considerablemente su deformación puede ser mayor que la permisible, creando flechas instantáneas o definitivas mayores de las permisibles en la vía, siendo de alto riesgo para la seguridad. En las uniones de los arriostres, por ser estos puntos donde confluyen varios elementos unidos por una chapa, existe un impedimento en la rápida evacuación de la humedad y unido a esto por lo general las chapas son de poco espesor, trayendo consigo el deterioro total y la perdida frecuente de la unión, esto se generaliza fundamentalmente en esta tipología. En los arriostres superiores, mas cercanos a las traviesas y por tanto con más concentración de humedad, la ruptura de las uniones afecta el trabajo homogéneo de las vigas y trayendo cambios en el comportamiento estructural del puente. Se pueden encontrar también arriostres partidos por defectos propios de la pieza. Estos deterioros pueden ser causados además de las causas expuestas en la superestructura, por otros tipos que a continuación se describen: Un diseño deficiente de las cimentaciones siendo analizada incorrectamente la profundidad de socavación. Incorrecto proceder al ejecutarse, si se utilizan topadoras o buldócer alterando así la protección natural del cimiento. Cambio u obstrucción del cauce natural del río. Socavación que provoca la perdida de la sección transversal del cauce del rió, siendo esta producida por las grandes avenidas del agua produciendo un flujo excepcional con una velocidad de arrastre tan grande que destruye en el caso de que se encuentren pilas o estribos dentro del agua. Empuje producido por una masa de suelo sobre la estructura que lo contiene. Este fenómeno se presenta en todos los elementos del puente que están en contacto con el suelo. Esto puede provocar desplazamientos acompañados de deformaciones, roturas, vuelcos. Deficiente o ausencia del drenaje en los muros de estribos y sus aletones debido a un mal diseño. Juntas de construcción inadecuadas 32.

(33) Un incremento en la carga accidental no tenida en cuenta durante el diseño. Presencia de árboles o arbustos en el área de muros y aletones. Defectos por grietas. Los defectos por grietas están asociados fundamentalmente al fenómenos de la fatiga se presenta generalmente en zona de concentración de esfuerzos y en puentes de mucha edad. En el caso particular de los puentes de armadura se presentan con mayor frecuencia en elementos que trabajan a doble signo (tracción-compresión) como son diagonales, montantes y elementos del sistema de arriostre. El surgimiento de las grietas de estos elementos es más frecuente en los nudos superiores de la armadura, en el primer o segundo remache del borde de la chapa de unión. En el caso de las vigas conformadas las grietas se presenta con más frecuencia en las uniones de las vigas longitudinales con las vigas transversales, en las vigas longitudinales se presentan en los angulares superiores asociados a la falta o excesivo deterioro de las alas superiores, en las vigas transversales las grietas pueden surgir en los angulares de las alas superiores e inferiores en la fijación de las chapas de unión con los arriostramientos, como consecuencia de las tensiones que aparecen durante el trabajo conjunto de las armaduras y el emparrillado (vigas longitudinales y transversales). Existen concentradores locales de tensión como son los bordes no acabados después de los cortes, agujeros, abolladuras y rasgaduras, particularmente cerca de los bordes, estos defectos son más peligrosos en las vigas “I” laminadas.. 1.13 Ensayos para la caracterización de aceros Como los puentes son elementos de una alta responsabilidad, se hacen de materiales resistentes, seguros y duraderos. En el caso de los puentes metálicos de ferrocarriles se emplean el acero fundamentalmente, pues el mismo posee un conjunto de altas propiedades. Estas sorprendentes características que funcionan como un todo son las que lo ubican entre los materiales preferidos en la ingeniería. 33.

(34) El acero brinda a los fabricantes la posibilidad de: soportar grandes cargas y a la vez tener una alta resistencia; de poseer tenacidad, para poder aguantar los efectos dinámicos y de choque; debido a su resistencia a la fatiga, puede soportar cargas alternativas; brinda oposición a la acción del rose de las piezas, demostrando su resistencia al desgaste; además de contar con buena resistencia a la corrosión, a la fluencia y a otras acciones constantes. Estas altas propiedades del acero están dadas por el carbono u otras sustancias que se encuentran en su estructura. Posee características como la elasticidad que en él es muy alta. La soldabilidad, pudiéndose unir por medio de soldadura y gracias a esto se pueden componer una serie de estructuras con piezas rectas. Ductilidad que propicia una alta capacidad para trabajarlos, doblarlos y torcerlos. La forjabilidad, ya que al calentarse se le puede dar cualquier forma deseada. Trabajabilidad, al ser relativamente fácil de cortar y perforar a pesar de que es muy resistente, sin problemas. Para cumplir con los requisitos incluidos en las especificaciones técnicas, en las plantas siderúrgicas se mantiene control sobre la composición química y la microestructura del acero, observando con exactitud los parámetros metalúrgicos y operativos. Para verificar el cumplimiento de las características mecánicas y físicas, incluidas en una especificación técnica particular, se llevan a cabo una serie de ensayos, que a su vez están regidos por una norma específica. Algunos de esos ensayos son: ¾ Ensayo de Tracción: para verificar las características elásticas y plásticas. ¾ Ensayo de Dureza: para verificar la dureza. ¾ Ensayo de Impacto Charpy: para verificar la tenacidad. ¾ Ensayo de corrosión atmosférica: particularmente en aceros resistentes a la corrosión atmosférica para determinar su resistencia a este ataque. Particularmente el ensayo de corrosión atmosférica se efectúa, pues con la excepción de los aceros inoxidables, el acero se corroe durante su exposición al medio ambiente. 34.

(35) En la primera mitad del siglo XX se descubrió que el cobre aumentaba la resistencia del acero a la corrosión atmosférica. Mientras que el acero al carbono, debe ser protegido del ataque ambiental mediante recubrimiento u otro método para logra un buen comportamiento bajo condiciones de servicio. Los aceros resistentes al ataque ambiental, se pueden utilizar sin ningún tratamiento y con poco mantenimiento anticorrosivo. En la construcción de un puente, el acero bajo cualquier forma se somete a operaciones de doblado, cizallamiento, enderezado, corte, taladrado, soldadura, etc. Todas esas operaciones deben ejecutarse de acuerdo con la norma de fabricación particular, de manera que se asegure la construcción segura de los puentes.. Ensayo Químico: Una tabla tecnológica de un acero reúne diversos datos así como una serie de diagramas que permiten al fabricante y al usuario obtener las propiedades deseables con el fin de garantizar la puesta en servicio de dicho acero. Es por tanto la tabla tecnológica un complemento de la tabla de tipificación que clasifica a los aceros en función de su composición química y de la norma que indica las características mínimas que deben obtenerse con un tratamiento previamente establecido. Conviene recordar que los datos tecnológicos son habitualmente orientativos, dado el diferente comportamiento de las distintas coladas de un mismo tipo de acero y las normales limitaciones de los métodos de ensayo. La realización de este ensayo es de gran importancia pues permite conocer la composición química de cada uno de los aceros y fundamentalmente su contenido de carbono.. Ensayo Metalográfico: Consiste en la observación de muestras metálicas en el microscopio óptico metalográfico. Para lograr una buena observación es necesario ejecutar, sobre la 35.

(36) muestra,. un. conjunto. de. operaciones. preparatorias.. Estas. operaciones. básicamente incluyen la toma de muestras y la preparación de la superficie. Durante la toma de muestras se debe prestar atención a la selección de la región de donde se tomarán las muestras, al proceso de corte y en caso necesario al montaje. Por su parte la preparación de la superficie conlleva el desbaste, el pulido y el ataque.. Ensayo de dureza: Es fácil comprender el concepto general de la dureza como una cualidad de la materia que tiene que ver con la solidez y la firmeza de contorno, pero no se ha ideado todavía ninguna medida universal de la dureza aplicable a todos los materiales. La dureza o resistencia superficial a la deformación puede medirse bien provocando una deformación plástica por la compresión de un penetrador de metal duro contra la superficie del metal a ensayar y midiendo la presión unitaria con respecto a la deformación, o provocando una reacción elástica en la superficie del metal a ensayar por la caída de un percutor cuyo rebote se mide. Existen distintos métodos prácticos de ensayo para la medición de la dureza, los más populares son: -Ensayo Brinell -Ensayo Rockwell -Ensayo Vickers. -Ensayo Brinell: Este ensayo consiste en oprimir una bola de acero endurecido contra una probeta. De acuerdo con las especificaciones de la ASTM, las estipulaciones de las cuales se siguen aquí, se acostumbra a usar una bola de 10mm y una carga de 3000Kg, para metales duros, 1500Kg para metales de dureza intermedia y 500Kg para materiales suaves.. 36.

(37) El número de dureza de Brinell es nominalmente la presión por área unitaria (Kgmm2), de la huella que queda después de retirar la carga; se obtiene dividiendo la carga aplicada por el área de la superficie de la huella, la cual se supone esférica.. -Ensayo Rockwell: Este ensayo es similar al Brinell en el que el número de dureza encontrado es una función del grado de penetración en la pieza de ensayo por la acción de un penetrador bajo una carga elástica dada. Difiere en que los penetradores y las cargas son menores, de ahí que la huella resultante menor y menos profunda. Es aplicable al ensayo de materiales que posean durezas que rebasen el alcance de la fuerza de Brinell. Se basa este ensayo en determinar la penetración de un punzón comprimido contra el metal mediante una carga poco elevada que asegure tan solo una pequeña huella, poco profunda, para que solo influya en ella la dureza superficial del metal a ensayar.. -Ensayo Vickers: Con análogas orientaciones que en el ensayo Rockwell se ha establecido también el ensayo Vickers, que conserva las ventajas de pequeñez de huella que el anterior, pero posee, además, otras ventajas. Esta máquina es parecida a la de Brinell en la que se realiza una penetración y determina el número de dureza de la razón P/A (carga P (Kg) y el área superficial A de la penetración en mm2). El penetrador es una pirámide de base cuadrada en la cual el ángulo entre las caras opuestas es de 136º, según ASTM; la carga puede variar desde 5 hasta 120Kg en incrementos de 5Kg. Una ventaja de la máquina de ensayo aducida por algunos operadores radica en la medición de la huella: una lectura mucho más exacta puede hacerse de la diagonal de un cuadrado que del diámetro de un círculo cuando la medición ha de hacerse entre dos tangentes del círculo. Es un método bastante rápido y puede usarse sobre metal tan delgado como 0,006pulgadas. 37.

(38) Ensayo de tracción: El ensayo de tracción constituye uno de los más interesantes ensayos mecánicos que se realizan con los metales, no solo por las condiciones de su realización, sino por la interesante información que facilita. El ensayo de tracción se realiza mediante dispositivos mecánicos o hidráulicos que permiten separar dos mordazas entre las que se sujeta la probeta objeto del ensayo. Dispositivos complementarios permiten medir en todo instante la carga que soporta la probeta y su deformación. Asimismo, en la mayoría de las máquinas se obtiene directamente el trazado de la curva cargas-deformaciones.. -Información del ensayo de tracción: Este. ensayo. comportamiento. proporciona mecánico. una de. un. información metal.. muy. Suelen. interesante tomarse. sobre. como. el. valores. fundamentales de este ensayo el límite elástico, la carga de rotura, la carga máxima y el alargamiento centesimal, y para fines especiales el módulo de elasticidad y la estricción. Las cuatro primeras se han elegido como parámetros para medir características mecánicas del metal, pues mediante la combinación de propiedades con que se relacionan definen un estado concreto del metal. En efecto, el límite elástico mide la resistencia a la deformación plástica del metal, propiedad fundamental del mismo. El alargamiento no mide la plasticidad, pero si la ductilidad en condiciones de tracción simple, propiedad relacionada contrapuesta a la resistencia. Finalmente, la carga máxima no sólo mide el mayor valor de carga que puede soportar el material, sino que expresa una propiedad que se halla influenciada a la vez por los efectos del proceso de la deformación sobre la cohesión y sobre la resistencia a la deformación.. 38.

(39) Ensayo de choque (impacto) Muchas estructuras y partes de ellas están sometidas comúnmente a cargas dinámicas; un tipo importante de carga dinámica es aquel en que la carga se aplica súbitamente conocida como impacto de una masa en movimiento. El efecto de una carga de impacto que produzca esfuerzo depende de la cantidad de energía utilizada en causar la deformación. La meta es proveer un margen para la absorción de tanta energía como sea posible a través de acción elástica y luego confiar en alguna clase de contención para disiparla. En la mayoría de los ensayos para determinar las características de absorción energética de los materiales bajo cargas de impacto, el objeto es utilizar la energía del golpeo para causar la ruptura de la probeta. El ensayo de impacto ideal sería uno en el cual toda la energía de un golpe se transmitiera a la probeta. En realidad este ideal nunca se alcanza; siempre se pierde alguna energía por fricción, por deformación de los apoyos y la masa de golpeo, y por vibración de varias partes de la máquina de ensayo. Al realizar un ensayo de impacto, la carga puede ser de flexión, tracción, comprensión o torsión, siendo la carga que flexiona la más común. Este ensayo consiste en provocar la rotura del metal en condiciones de gran triaxialidad para determinar si su plasticidad es o no suficiente para soportarlas, pudiéndose además medir el trabajo absorbido por la deformación, o resiliencia del metal que constituye un buen término de comparación para poder juzgar su calidad. Para los aceros en general existen los ensayos de choque de Charpy y el de Izod. En el Dpto. de Mecánica Aplicada y Dibujo de la UCLV, específicamente en el Laboratorio de ensayo de Materiales, se cuenta con una máquina de ensayo tipo Charpy. -Ensayo Charpy En este ensayo se determina el trabajo de choque absorbido por una probeta entallada trabajando a flexión sobre dos apoyos. La probeta es de sección cuadrada, bajo la acción del choque la misma se rompe absorbiendo un trabajo en su deformación y rotura. 39.

(40) 1.14 Aceros, según ASTM, utilizados para la construcción de puentes -Aceros al carbono: •. ASTM A709 grado 36. Acero estructural al carbono (con 250 MPa mínimo a la Fluencia).- ASTM A36.. -Aceros de baja aleación y alta resistencia: •. ASTM A709 grado 50. Acero estructural BAAR. (con 290, 350, 420 y 450 MPa mínimo a la Fluencia).- ASTM A572.. •. ASTM A709 Grado 50W. Acero estructural BAAR resistente a la corrosión atmosférica. (Con 350 MPa mínimo a la fluencia).-ASTM A588.. •. ASTM A709 Grado 70W. Acero estructural BAAR resistente a la corrosión atmosférica. (Con 490 MPa mínimo a la Fluencia). - ASTM A852.. -Aceros aleados: •. ASTM A709 Grado. Acero tratado térmicamente de alta resistencia. (Con 70 Kg/mm2 mínimo a la fluencia).- ASTM A514.. 1.15 Métodos numéricos para el análisis de estructuras Los métodos numéricos resultan una poderosa herramienta en la ingeniería, su desarrollo ha sido aparejado a los adelantos con que cuenta la humanidad hoy en día. La solución numérica de una ecuación diferencial es un esencial ingrediente de la simulación. numérica.. Hay. varias. maneras. de. encontrar. soluciones. de. aproximación numérica para las ecuaciones diferenciales. Los métodos son basados en la idea de reemplazar las ecuaciones diferenciales por una ecuación de diferencia. El método de Euler es basado en aproximación de la derivativa por una diferencia de primer orden. Hay técnicas más eficientes tales como RungeKutta y métodos de múltiple pasos. Estos métodos fueron muy conocidos cuando emergieron los simuladores digitales en el año de 1960. El campo de las matemáticas numéricas experimentó un renacimiento debido al impacto de las computadoras digitales. Existen principalmente dos métodos numéricos que dan solución a problemas ingenieriles de media y alta complejidad. El Método de las 40.

(41) Diferencias Finitas (MDF) y el Método de Elementos Finitos (MEF). Nuestro objeto de estudio se centra en el (MEF). Este método Según Dr. Julio Flores y Dr. Alejo Sánchez (CECALCUTA): •. Consiste en convertir un sólido en un número finito de partes llamado elementos, cuyo comportamiento se especifica con un número finitos de parámetros.. Dichos. elementos. contienen. una. serie. de. puntos. interconectados entre sí llamados nodos y que en su conjunto se le conoce como maya. •. Este régimen de trabajo implica un gran costo computacional cuando se trata de problemas reales, por lo que se requiere de máquinas potentes.. El MEF nació como una generalización del cálculo matricial. Alguien que trabajaba con sistemas estructurales complejos, que no se idealizaban bien mediante entramados de barras, pensó que podría dividir su estructura en zonas o elementos más complejos que una simple barra. Estos elementos estarán conectados entre sí también en nodos pero, a diferencia con el cálculo matricial, dentro de ellos solo se conocía la solución de manera aproximada en función de los movimientos nodales. La partida de nacimiento del MEF, en la que se publica por primera vez la idea anterior, está fechada en 1956. Se trata de un artículo histórico aparecido en una revista relacionada con la industria aeronáutica. La integración del MEF con otras ramas ha propiciado el nacimiento de la Ingeniería Asistida por Computadora (Computer Aided Engineering - CAE). En la actualidad es normal la integración del cálculo por elementos finitos (Finite Element Analysis - FEA) y el dibujo asistido por computadora (Computer Aided Design- CAD), siempre con el objetivo de reducir los tiempos de proyectos o de puesta de producto en el mercado. Todo esto, vinculado con el desarrollo vertiginoso de la industria de la computación. y la programación, ha favorecido la aparición en el mercado de. sistemas profesionales basados en estos métodos numéricos con grandes potencialidades para el análisis de los problemas tensión – deformación asociados con los sólidos, entre los cuales se destacan: ANSYS 10.0 Release, 2005; 41.

(42) SDRC/I-DEAS (Complete CAD/CAM/CAE package), 2005; ABAQUS (Nonlinear and dynamic analyses), 2004; COSMOS (General purpose FEA), 2004, y con ellos los trabajos de modelación de estructuras cada día con mayor complejidad. El trabajo que se abordará está basado en la técnica de modelación con el software profesional, Abaqus.cae. Este programa se caracteriza por ser eficiente para resolver casi todo tipo de problemas, desde un simple análisis lineal hasta simulaciones complejas no lineales. Abaqus posee una extensa librería de elementos finitos que permite modelar virtualmente cualquier geometría, así como su extensa lista de modelos que simulan el comportamiento de una gran mayoría de materiales, permitiendo su aplicabilidad en distintas áreas de ingeniería. Los campos de aplicación y especialización del software se agrupa en materias como, mecánica de fluidos, análisis termoeléctrico, de transferencia de calor, difusión de masa, en frecuencia, viscoelástico y plástico, y el más usado en la ingeniería civil, el análisis de esfuerzos estáticos y dinámicos. ABAQUS/Cae es un ambiente de ABAQUS que ofrece una simple y consistente interfase para crear, someter, monitorear, y evaluar resultados de simulaciones de ABAQUS/Standard y ABAQUS/Explicit. ABAQUS/Cae está dividido en módulos, donde cada módulo define un proceso de modelaje; por ejemplo, definiendo la geometría, definiendo las propiedades del material, y generando una malla. Cuando se mueve de un módulo a otro, cada módulo contribuye con opciones, parámetros, y datos que forman un archivo de entrada que se somete al análisis de ABAQUS/Standard ó ABAQUS/Explicit. El procesador lee el archivo de entrada generado por ABAQUS/Cae, ejecutando el análisis, enviando información a ABAQUS/Cae para permitir monitorear el proceso del trabajo, y genera una base de datos de salida. Finalmente, se puede utilizar ABAQUS/Cae para leer la base de datos de resultados y visualizar los resultados del análisis.. El tema de la modelación ha sido abordado por un gran número de expertos, que le han dado primicia a toda una filosofía de trabajo.. 42.