evaluación de secciones de hormigon pretensado en el

EVALUACIÓN DE SECCIONES DE HORMIGON PRETENSADO EN
EL CAMPO PLASTICO, APLICADO A SISTEMAS DE TRANSMISIÓN
DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN LA PROVINCIA DE MISIONES
Fernando R. Detke a, Hugo O. Reinert a, Javier A. Duarte a, Aguirre Miguel A.a, Benitez Alvaro
S. a, Oscar Möller b
a
Departamento de Ingeniería civil, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Misiones, Rosas
325, Oberá, Misiones, Argentina, [email protected]
b
Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras (IMAE), Universidad Nacional de Rosario, Riobamba
y Berutti, 2000 Rosario, Argentina, [email protected]
Palabras clave: Sistemas, energía eléctrica, Hormigón pretensado, Modelo estructural, Acción dinámica del
viento, plastificación de estructuras.
Resumen
Este trabajo persigue el objetivo de presentar una propuesta para la evaluación de secciones de hormigón
pretensado sometidas a flexión, que se enfoca en detectar zonas de falla plástica dentro de la estructura. Para
ello se desarrolla un modelo numérico aplicado a un sistema de transmisión de energía eléctrica, característico de
la provincia de misiones. Dicho modelo y su comportamiento es analizado aplicando el método de los elementos
finitos, mediante el uso de un soporte digital que ayuda a minimizar los tiempos computacionales. Dicho modelo
contempla las propiedades geométricas y mecánicas de un sistema de suspensión de líneas de transmisión de
energía eléctrica, en tanto que los accesorios de suspensión de la línea son representados como acciones
externas, dado que no se incluyen por el momento como parte fundamental del problema. El mencionado modelo
se completa considerando un patrón de carga dinámica, asociado a una función de fluctuación, que intenta
reproducir la acción aleatoria del viento en el escenario de la provincia de misiones. Una vez recolectados los
resultados se intenta detectar la zona en donde el elemento estructural pueda presentar fallas de tipo plástico, es
decir, que no mantengan linealidad entre tensiones y deformaciones, con la consecuente problemática que esto
acarrea a sistemas estructurales de este tipo.
Introducción
La utilización de sistemas estructurales de hormigón pretensado en líneas de transmisión de energía
eléctrica, es de carácter frecuente en el ámbito de la provincia de misiones, específicamente para el
caso de líneas de alta tensión. Como particularidad del problema, se da el hecho de que el efecto
externo de mayor importancia esta dado por la acción del viento, la cual es de carácter dinámico,
además de ser un problema no lineal desde que hablamos de hormigón estructural. Por tanto, con la
ocurrencia de tormentas de viento fuerte, se producen fallas que originan salidas de servicio de las
líneas de transmisión, con elevados costos económicos, sociales y políticos, ya que afectan a la
industria, el comercio, y la población en general. Actualmente el problema estructural se resuelve
aplicando metodología de Análisis estructural según procedimiento estático equivalente. Este se
Desarrolla según la teoría de estabilidad de estructuras, y cumpliendo con las prescripciones
establecidas en las reglamentaciones vigentes (AEA 95301, 2007; NBR 6123, 1988). En ellas la
acción dinámica del viento es transformada a una acción estática equivalente actuando en todos los
elementos del sistema, bajo diferentes hipótesis y estados de carga. El desplazamiento en la cima del
poste, como así también las solicitaciones en la base del mismo (momentos flectores y esfuerzo de
corte) arrojan valores entre un quince a un veinticinco por ciento mayores para los modelos analizados
digitalmente respecto de los resueltos con procedimiento estático equivalente (Detke et al., 2010).
En las figuras 1 y 2 podemos apreciar un tipo de falla que es frecuente en estos sistemas, cuando son
ejecutados en hormigón estructural. En la misma se observan dos aspectos: como aparece el fenómeno
de fatiga en la estructura por el efecto dinámico, y como este fenómeno lleva después una cierta
cantidad de ciclos al colapso de la misma.
Al respecto de los daños ocasionados en los últimos años, para el ámbito de la provincia de misiones,
han ocurridos fallas de tipo localizadas, que en la mayoría de los casos son precedidas por fenómenos
climáticos de orden relevante.
Figura 1. Imágenes de fallas en el sistema estructural.
Para estudiar el fenómeno, se genera un modelo de elementos finitos que simula numéricamente el
problema, el mismo está compuesto por: a) acciones externas que incluyen efectos de viento, peso
propio de los elementos componentes de la línea eléctrica, peso propio de los elementos de sujeción de
los conductores; b) estructura de suspensión modelada con elementos barras que están concatenados
con un elemento tendón, que es el encargado de simular la fuerza de tesado en el poste; c) un conjunto
de elementos sólidos que simulan por un lado el dado de hormigón simple que sirve de fundación al
poste, y por otro lado el suelo circundante a la fundación.
Configuración Del Modelo Numérico
En las Figuras 2 y 3, se resumen las características geométricas de los distintos elementos
componentes de líneas de transmisión en 132kV típicamente utilizados en la provincia de Misiones,
cuya información ha sido empleada para la modelación del sistema.
Figura 2. Tramo del sistema considerado en el modelo estructural
El objetivo es detectar secciones de la estructura de suspensión que están potencialmente expuestos a
fenómenos de plastificación. Para esto se debe tener en cuenta que el análisis abordado contempla un
diagrama de solicitaciones externas para cada instante de tiempo analizado, con lo cual se obtiene del
análisis estructural, un diagrama de esfuerzos, para cada punto de la señal de fluctuación relacionada
con el viento. Algunos de ellos superan la capacidad portante de la estructura en diferentes puntos de
la misma. Los puntos que son potencialmente riesgosos en términos de plastificación prematura son:
a) empotramiento en la base del poste, donde inicialmente se considera una rotula con comportamiento
plástico en el modelo numérico, b) puntos de cambio de armadura pasiva, c) puntos de concentración
de tensiones por aparición de accesorios de suspensión de cables.
A
A
B
A
D
B
C
D
C
B
E
D
C
E
E
Figura 3. Características de los elementos considerados en el modelo estructural.-
Dado el nivel de simplificación definido en el modelo numérico, el análisis se enfoca en los puntos a)
y b). Con respecto al punto c) necesitamos ampliar dicho modelo hacia la consideración de
propiedades geométricas y mecánicas de los mencionados accesorios.
Dadas estas condiciones, el problema se reduce a la formación de, al menos una rotula plástica, debido
al movimiento oscilatorio que experimenta la estructura bajo la acción dinámica del viento.
Discretización Del Modelo
La respuesta del modelo estructural caracterizado con anterioridad fue obtenida
procedimientos:
siguiendo dos
Análisis Estático
Desarrollado basándose en la Teoría de estabilidad de estructuras, y cumpliendo con las prescripciones
emanadas de las reglamentaciones vigentes [Ref. 1, 8].
En este caso la acción dinámica del viento es transformada a una acción estática equivalente actuando
en todos los elementos del sistema.
Análisis Dinámico
Se genera un modelo digital en el software de análisis estructural SAP 2000 Versión V.14, que
resuelve el problema por el método de los elementos finitos, y cuya Discretización se ilustra en la tabla
1.
Tabla 1. Parámetros de Discretización de las secciones del modelo numérico.-
Sección
P%
A
B
C
D
E
0.00%
28.57%
48.98%
65.31%
75.31%
P%:
H:
Co:
Di:
Di':
Dasi:
Daspi:
Di
diámetros
Dasi
Da
Da - Pb% * H * Co
Da - Pc% * H * Co
Da - Pd% * H * Co
Da - Pe% * H * Co
Daspi
Di - 0.05 Di - (Di - Di')/2
Proporción respecto de la altura total del poste.Altura Total del poste.Conicidad del poste.Diámetro Externo del poste.Diámetro Interno del poste.Diámetro baricéntrico de armaduras pasivas.Diámetro baricéntrico de armaduras activas.-
Los conductores y cable de guardia se modelan como acciones externas, la cual reproduce los efectos
de comportamiento característico de los cables bajo la acción del peso propio, y la fuerza de tiro
correspondiente en sus extremos.
En cuanto a la estructura soporte, se consideran para el poste, elementos de barra de sección circular
anular variable hecha en hormigón armado, en función de un diámetro de partida en la cima y de la
conicidad propia del poste, con armadura pretensada y pasiva incorporada en sus secciones. Dicha
armadura pasiva se interrumpe según técnicas de armado propias de los fabricantes, esto también se
introduce en el modelo, con cual se puede precisar la resistencia seccional del poste con aceptable
proximidad.
La cimentación se modeló como un sistema de elementos sólidos tridimensionales que simulan la
fundación propiamente dicha, y una porción limitada del suelo circundante con el fin de capturar la
interacción suelo-estructura de fundación. Las propiedades mecánicas asignadas a los elementos
sólidos de la fundación conforman un prisma de hormigón simple de sección rectangular y eje vertical,
en la cual se superpone el elemento barra que modela el poste, generándose de esta manera un
empotramiento del poste en la fundación.
En cuanto a los elementos sólidos tridimensionales para simular la interacción con el suelo
circundante, se configuran con asignación de propiedades mecánicas del tipo de suelos predominante
en la región, empleándose únicamente resortes que toman la compresión para representar la
continuidad del suelo circundante. Las propiedades del suelo relacionadas al amortiguamiento se
despreciaron.
El análisis de las estructuras soporte se circunscribe a la situada en el centro de ambos vanos, en tanto
que las estructuras de suspensión extremas sólo son consideradas para representar los efectos de
continuidad del sistema [Ref. 9, 10].
Acciones
Cargas Permanentes
Las cargas permanentes comprenden los pesos de la estructura de suspensión (postes, cruceta,
ménsulas, cadenas de aisladores, herrajes) y de los conductores y cable de guardia, según
especificaciones de fabricantes.
Acción Dinámica Del Viento
Las cargas de viento incidentes sobre las estructuras son acciones dinámicas, variables en el espacio y
en el tiempo, respondiendo a la naturaleza aleatoria del movimiento del aire atmosférico, el que se
describe convencionalmente a partir del campo de velocidades del viento actuante dentro de la capa
límite atmosférica [Ref. 5, 6, 9].
En el presente trabajo se considera la acción del viento perpendicular al eje de la línea, coincidente con
la dirección de la componente principal del vector velocidad de viento, condición denominada de
“viento longitudinal”, despreciándose la influencia de las componentes vertical y lateral.
Esta acción es insertada en el modelo computacional partiendo de un archivo de texto en forma de
historia del tiempo analizando la respuesta estructural para pequeños incrementos temporales por el
Método de integración de Newmark [Ref. 7, 9].
Consistencia Del Modelo Con Datos Experimentales.
Para lograr consistencia entre resultados del modelo numérico y datos obtenidos en forma
experimental, se modelan una cantidad significativa de casos de ensayos de rotura por flexión,
efectuados en postes de hormigón estructural, según norma IRAM 1605 (Tercera Edición – 2008-0815), utilizados en obras de energía eléctrica para la provincia de misiones. En síntesis, el ensayo se
divide en ciclos para los cuales se toma lectura de: a) magnitud de carga por ciclo, b) desplazamiento
relacionado a cada carga en cada ciclo. Con estos datos se calculan valores de Solicitación a Flexión y
curvatura. Los resultados obtenidos se comparan con los arrojados por el software, lo cual nos
permite efectuar un análisis en términos de la grafica de momento-curvatura, por un lado definida por
el comportamiento experimental del poste, y por otro lado la asociada al análisis dinámico utilizado.
Se agrega a la mencionada comprobación, una grafica de momento curvatura desarrollada desde la
teoría de comportamiento a flexión, calculada mediante modelo de fibras.
Presentación y Análisis De Resultados
Se analiza por la metodología descripta, una cantidad significativa de modelos numéricos que se
adoptan de ensayos de rotura de postes efectuados durante el año 2000 a 2001. En la Figura 3 se puede
apreciar el avance del esfuerzo actuante sobre el sistema, contrastado con la curva de capacidad
portante del mismo.
Figura 4. Evaluación de capacidad resistente frente a resultados del análisis dinámico.-
En la figura 4 se observa Diagramas de esfuerzos de flexión, que responden a lo siguiente
Esta gráfica muestra como la capacidad resistente prevista es superada por la acción externa, en
determinados instantes del análisis, lo cual nos deja la impronta de extender el análisis de falla a otros
puntos del elemento estructural. Dichos puntos estarán directamente relacionados con las tipologías
estructurales estudiadas, que están condicionadas por: longitud de vanos, cambios de dirección,
posición dentro de la línea de energía eléctrica, y otros.
En la Figura 5, podemos visualizar la comparación de la relación Carga Desplazamiento que resulta
del modelo numérico, frente a la homónima para un ensayo a rotura por flexión, de un poste de
características acordes con las configuradas en la simulación. Se puede apreciar que para el campo
elástico la consistencia es aceptable entre el modelo y prototipo. Pasado el esfuerzo que produce el
inicio de la fisuración, se observa un distanciamiento entre los resultados de ambos, lo cual se asume
que puede estar sujeto a cuestiones inherentes al proceso de fatiga que sufre el elemento en situación
de la acción de cargas dinámica, es decir, el prototipo ensayado en banco, recibe carga en forma
controlada y por ciclos, mientras que el modelo numérico asume un patrón de carga afectado por una
fluctuación dinámica.
Figura 5. Evaluación de relaciones Carga Desplazamiento en modelos numéricos y ensayos de rotura.-
Conclusiones
De lo expuesto, podemos exponer como primer conclusión, que el análisis de falla de estos sistemas
estructurales no debe limitarse a secciones de máximo esfuerzo (P. Ej.: unión del poste con la base),
dado que la conformación geométrica de las armaduras pasivas darán paso a la aparición de secciones
potencialmente criticas, como vemos en la figura 3. Por otra parte se puede establecer un grado de
consistencia aceptable entre el modelo numérico y el prototipo experimental, para el grado de avance
en los ajustes pertinentes de la simulación. A futuro se avanzar en la calibración de este modelo, con el
fin de lograr una alternativa de análisis a los ensayos destructivos
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