CUIDADO CON EL DESLIZAMIENTO DE HERRAJES EN PRUEBAS DE CARGA DE PASARELAS DE MADERA TIPO ARCO.

CUIDADO CON EL DESLIZAMIENTO DE HERRAJES EN PRUEBAS DE CARGA DE PASARELAS DE MADERA TIPO ARCO.

1.    PRÓLOGO.

Me gustaría, a continuación, desarrollar las conclusiones obtenidas en una prueba de carga que realicé en una pasarela de madera estructural tipo arco.

Muchas veces en la planificación de una prueba de carga se calcula la deformación teórica que se espera teniendo en cuenta únicamente el comportamiento elasto-plástico del material de la estructura, bien sea hormigón armado, acero, mixta, madera, etc.

En este caso la geometría del arco, junto a la distribución necesaria de herrajes para su  correcta construcción, hizo que gran parte de la flecha de la pasarela fuera debida a la deformación elasto-plástica de los herrajes de unión, afectando en gran medida al resultado de la flecha remanente al finalizar la prueba de carga.

2.    PLANIFICACIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA.

Se trataba de una pasarela de 27 metros de luz con geometría en arco y formada por dos vigas longitudinales de canto variable. Debido a la longitud de las vigas estas se dividieron en dos tramos con herrajes de unión en centro de vano y en apoyos sobre estribos. En la siguiente foto se puede apreciar la geometría y la ubicación de herrajes:

Vista de la pasarela. Ubicación de los herrajes

Vista de la pasarela. Ubicación de los herrajes

Debido a los esfuerzos flectores previstos en los herrajes de centro de vano se esperaba un giro en dicho punto por deslizamiento en la unión. Igualmente la compresión prevista en los apoyos de los estribos facilitaba la aparición de un desplazamiento horizontal en los herrajes de unión. Estos dos movimientos indicados (giro y desplazamiento en centro de vano y desplazamiento en apoyos) conlleva de por sí la aparición de una flecha no despreciable, la cual había que añadir a la flecha por deformación de la madera.

Es por ello por lo que en la planificación de la prueba de carga se realizó una estimación de los deslizamientos en los tornillos de los herrajes mediante formulación del Eurocódigo 5 para estimar la flecha teórica. Con dicho valor se podría comprobar posteriormente que las deformaciones reales quedan dentro del rango previsto por el Eurocódigo 5.

uinst= F/Kser

Kser= ρk 1,5 x d/23 para pernos con holgura

Puesto que los pernos tenían pretaladro con holgura de 1 mm esta hay que incrementarla en 1 mm. Teniendo en cuenta además la fluencia de la madera, el deslizamiento final estimado es:

Ufin = 1mm + uinst (1 + Kdef)

Las deformaciones esperadas eran en centro de vano de 1,7 mm y en apoyos de 2,8 mm.

Para su comprobación se planificó la colocación de puntos de medida de dichos desplazamiento en los herrajes de estribos y herrajes de centro de vano.

3.    INSTRUMENTACIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA

Para la determinación de las deformaciones verticales de las vigas principales en el centro de vano se optó por la utilización de un nivel electrónico de precisión, estableciendo los puntos de control en centro de vano y extremos de apoyo de las dos vigas principales con un total de 6 puntos de control.

Pernos para ubicación de mira de nivel de precisión para control de flechas. Hay que prever un hueco en la carga para ubicación de la mira.

Pernos para ubicación de mira de nivel de precisión para control de flechas. Hay que prever un hueco en la carga para ubicación de la mira.

Para la determinación de movimientos en el herraje en centro de vano y deformación horizontal en apoyos se utilizaron relojes comparadores anclados por un lado a la madera y por otro al herraje, tal y como se muestra en el siguiente croquis y las posteriores fotografías.

Ubicación de los relojes comparadores para el control de movimientos en herrajes

Ubicación de los relojes comparadores para el control de movimientos en herrajes

Vista de los relojes comparadores instalados.

Vista de los relojes comparadores instalados.

4.    EJECUCIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA.

La carga y descarga se realizó según el protocolo previsto para la prueba. Se trataba de dos escalones hasta alcanzar la carga máxima de 240 kg/m2. Dicha carga se realizó manualmente con sacos de arena de 25 kg debidamente pesados y correctamente replanteados.

Proceso de carga manual de la pasarela con sacos de arena.

Proceso de carga manual de la pasarela con sacos de arena.

Medición de flechas y deformación en herrajes

Medición de flechas y deformación en herrajes

Las flechas obtenidas son:

FLECHAS

1er ESCALÓN

2º ESCALÓN

DIFERIDO (Sin carga)

FLECHAS TEÓRICAS

19,68 mm

37,92 mm

<15%

FLECHAS ABSOLUTAS MEDIDAS (a)

15,10 mm

25,50 mm

10,90 mm

(42,75%)

FLECHAS POR MOVIMIENTO DE HERRAJES (b)

4,10 mm

8,40 mm

8,40 mm

FLECHAS POR DEFORMACIÓN DEL MATERIAL (c)=(a)-(b)

11,00 mm

17,10 mm

2,50 mm

(14,37%)

Para la obtención de las flechas debido a los movimientos de los herrajes se midieron los desplazamientos horizontales en apoyos, y desplazamientos en parte superior e inferior de herrajes en centro de vano por los mencionados relojes comparadores. Dichos movimientos fueron inducidos en la geometría de la viga en autocad obteniéndose así la correspondiente flecha, es decir, un cálculo geométrico.

5.    CONCLUSIONES OBTENIDAS

Como se puede apreciar en el cuadro resumen anterior, las flechas absolutas obtenidas son en un 32,9% debido a los movimientos de herrajes y en un 67,1% debido a la deformación del material. Una vez vaciada la pasarela la flecha remanente es un 77,1% debido a los herrajes y un 22,9% debido al material. Indicar que la deformación por deslizamiento en los herrajes no se recupera al ser un comportamiento plástico.

Al final los criterios de aceptación se cumplían, ya que la flecha obtenida era inferior al previsto en el cálculo y que la flecha remanente era inferior al 15% de la máxima flecha. Este último criterio es necesario tomarlo según la deformación del material, descontándose la deformación de los herrajes. Por otro lado se pudo comprobar que los desplazamientos en los herrajes quedaban dentro de lo permitido por el Eurocódigo 5.

En caso de no haber tomado este criterio, es decir, de no haber medido las deformaciones entre madera y herrajes la flecha remanente hubiera sido del 42,75%, muy superior en la planificación de la prueba (15%), por lo que hubiera habido problemas en la aceptación de la prueba de carga y hubiera sido necesaria la repetición de la misma según se indica en las “Recomendaciones para la Realización de Pruebas de Cargas de Recepción en Puentes de Carreteras”, del Ministerio de Fomento.

Jesús Troyano

By |2018-11-19T12:17:39+00:0004/01/2013|ANALISIS EXPERIMENTAL|8 Comments

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8 Comments

  1. Félix Rivas 5 enero, 2013 at 13:31 - Reply

    Muy interesante. Gracias por compartrir tu experiencia

  2. Jose Maria Comes Canal 8 enero, 2013 at 19:14 - Reply

    Realmente interesante y instructivo.

  3. Juan A. Peña 8 enero, 2013 at 19:47 - Reply

    No tengo claro lo de los desplazamientos relativos que expones. Los desplazamientos relativos debido a la holgura de los tornillos ocurren al inicio y ya no se vuelve a mover como solido rígido la estructura una vez asentada con su propio peso en las holguras de los tornillos. Luego cuando los cargas, los comparadores miden el acortamiento del tramo de la viga debido a la presión de compresión que experimenta cada lado de 27.000/2 (por efecto arco) . El comportamiento de la deformación de la estructura es no lineal porque se da el fenomeno de la inestabilidad de “Snap-through”, que no sé como se dice en español. Otra cosa que no me cuadra es que la flecha teórica de cálculo sea inferior que la flecha medida. Normalmente suele ser al contrario debido a que no se tengan en cuenta fenomenos de 2º orden que tengan en cuenta el aumento de la flecha teórica. Si me pudieses enviar más información, quizas te pudiese concretar más lo que te esbozo anteriormente.

    • Jesús Troyano 9 enero, 2013 at 9:45 - Reply

      Hola Juan A. Los movimientos relativos que quería detectar durante la prueba de carga son los producidos por la transmisión de esfuerzos a través de los herrajes. Es decir, al entrar en carga los tornillos para soportar las cargas producidas por los esfuerzos que se transmiten a lo largo de la viga (flexión en centro de vanos y principalmente compresión en extremos), los tornillos comprimen la madera produciéndose un “deslizamiento” local entre los tornillos y la viga en la unión. Dicho deslizamiento es tratado en el Eurocódigo 5 capitulo 7.1 (deslizamiento de uniones) y se determina según el coeficiente kser. Es cierto que en la estimación inicial antes de la prueba de carga dicha deformación fue algo sobrestimada al tener en cuenta la holgura, pero era muy difícil estimar, a priori, si dicha holgura ya se había “consumido” durante el montaje, es precisamente por ello por lo que se decidió colocar relojes comparadores para determinar el dicho deslizamiento.

      La deformación por compresión de la viga de la pasarela no es capaz de ser medida por los relojes comparadores, ya que estos se colocaron para detectar el desplazamiento relativo entre la chapa de la unión y la madera (además de no ser el elemento de medida más adecuado para ello). No obstante dicha deformación no era necesaria calcular ya que la finalidad de la prueba era determinar la magnitud de la flecha (en este caso por compresión y por flexión) de las vigas.

      Desde que se monta la pasarela en obra dicho desplazamiento se va produciéndose según se va incorporándose el peso a la estructura. Primero peso propio de la estructura, posteriormente las cargas muertas de pavimento y algo de sobrecarga para el montaje mismo. En la prueba se trataba de estimar que cantidad de dicho movimiento se producía durante el ensayo para descontar dicho efecto a la flecha medida con el nivel electrónico en centro de vano.

      Por otro lado la flecha teórica determinada en el plan de prueba de carga fue calculado estimándose, tal y como he indicado, un movimiento en los correspondientes herrajes. Esta flecha es superior a la flecha obtenida en el ensayo, al estimar desplazamiento de herrajes superiores a los obtenidos. Dicha flecha no es inferior como indicas.

      Espero haber aclarado tus dudas, no obstante, estoy a disposición. Si quieres algún dato más preciso me lo dices.

      • Juan A. Peña 9 enero, 2013 at 13:53 - Reply

        Al escribir lo puse al revés; quise decir “Cuando me referia a la flecha teórica de cálculo es superior a la flecha medida. Normalmente suele ser al contrario (inferior) debido a que no se tienen en cuenta efectos de 2º orden que tengan en cuenta el aumento de la flecha teorica”
        La flecha relativa herraje-estructura, se debe a que el acero deforma la madera y la comprime, esta deformación es plástica (que es la que marca EC5) y dice que se estime según la expresión del Kser, para evitar este efecto local que no se contabiliza en el cálculo de la flecha normal. Lo que entiendo es que parte de la flecha debido al desplazamiento relativo que se recupera y es aquí donde discrepo con tu conclusión. Se recupera sólo la deformación elástica. Que la contabilizas junto a la relativa con los relojes comparadores.
        Para contabilizar la flecha, tienes una estación total con una mira en el centro de la pasarela que es la que te indica el desplazamiento de la estructura durante el ensayo.
        Lo que queria decir con mi comentario, es que este tipo de estructura presenta una deformación geometrica “no lineal”, que alguna vez, sorprende para grandes luces (en este caso no es muy elevada 27m), porque los programas de cálculo habituales no los contabiliza (con elementos de 1º orden). Debería de ser mediante un analisis FEM no lineal. Y esto te lo indico, porque sufrí este fenomeno en un Hangar de 84 m de luz, y nos percatamos al detectar el incremento de flecha que no contabilizó el programa de cálculo (unos 60 mm mayor).

  4. Jesús Troyano 9 enero, 2013 at 17:38 - Reply

    Juan, el hecho de que las flechas teóricas según cálculo elástico son, en este tipo de pasarelas, menores a las reales, ya fue avisado por la empresa que fabricó la pasarela antes de la planificación de la prueba de carga. Es por eso por lo que se intentó obtener un valor teórico más real que el que salía por puro cálculo elástico, que efectivamente era menor al expuesto. El método de cálculo, así como el incremento de la flecha elástica para tener en cuenta el comportamiento no lineal de la madera, se determinaron para obtener resultados equivalentes a pruebas de carga realizadas por la empresa instaladora en otras pasarelas similares. Fue dicha incertidumbre precisamente la que me indujo a colocar relojes comparadores en los nudos, y de esta manera tener más información sobre el comportamiento real de la pasarela.

    Se concluyó, por tanto, que en este caso, el comportamiento de los nudos influía significativamente en la flecha medida con el nivel eléctrico. De hecho la flecha elástica que se obtuvo en un primer cálculo puramente elástico era de 12 mm, la cual si se incrementa un 20% para tener en cuenta la no linealidad se obtenía 14,4 mm.

    Estoy seguro que, como muy bien dices, un cálculo no lineal mediante elementos finitos hubiera sido más adecuado. De toda experiencia se aprende.

    Por otro lado, efectivamente, como tú muy bien has dicho, la flecha debido al deslizamiento en herrajes es plástica y no se recupera. Por error he puesto 4,4 mm cuando era 8,40 mm. De hecho si a los 10,9 mm absolutos les restas los 2,50 mm por deformación del material, nos sale el famoso 8,40 mm que utilicé en el informe de la prueba de carga. Ya lo he rectificado en el texto.

    Juan, muchas gracias estos comentarios, se agradece.

  5. Miguel Angel Torrijos Gonzalez 14 enero, 2013 at 10:27 - Reply

    Solo un cuestión ¿al ser un estructura para el paso peatonal en la que en su uso habitual se producen esfuerzos dinámicos, como se reflejaron estos en la prueba de carga y los efectos ambientales, viento, nieve..etc? ¿se sometió a algún tipo de ciclo repetitivo para el tema de la fatiga del material?

    • Jesús Troyano 14 enero, 2013 at 11:21 - Reply

      Miguel Ángel, la prueba de carga realizada fue una prueba de carga estática según las “Recomendaciones para pruebas de carga en obras de carreteras” del Ministerio de Fomento. En ella se tuvo en cuenta únicamente los efectos de cargas estáticas y no se analizaron las cargas dinámicas. Una prueba de carga estática es siempre obligatoria en este tipo de estructuras, siendo las pruebas de carga dinámicas “obligatorias” cuando la luz es mayor a 60 metros, para estructuras donde las vibraciones puedan ocasionar malestar o influir en la funcionalidad de la obra, o cuando así lo requiera la Dirección de Obra.

      Se que en esta obra se realizó, paralelamente a la prueba estática, una prueba de carga dinámica, la cual me consta que fue satisfactoria.

      En cuanto a los efectos medioambientales, se realizó control a lo largo de la prueba de carga de la temperatura ambiental. Por otro lado no existía viento de magnitud suficiente como para afectar a los resultados obtenidos.

      Espero haber aclarado las dudas

      Un saludo

      Jesús Troyano

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