XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú UNIVERSIDAD DE MONTEVIDEO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INVESTIGACIÓN PUENTES DE MADERA 1. INTRODUCCIÓN El programa de investigación sobre puentes de madera, consiste en el desarrollo de un proyecto de ingeniería, sobre la construcción de puentes usando rolos de madera de eucalipto, o sea un material no convencional en este tipo de construcciones. Este material tiene como ventajas fundamentales el ser barato, accesible, fácil de trabajar y no contaminante. Si bien actualmente se utiliza en construcciones precarias, se entendió necesario estudiar en forma rigurosa, una tipología de puente que sea capaz de aprovechar las cualidades resistentes del mismo, y que ofrezca una adecuada confiabilidad a los usuarios. Aunque el comportamiento de la madera es conocido y se dispone de una abundante bibliografía que lo describe, ya que el proyecto será de aplicación repetida, se estimó conveniente desarrollar un programa de ensayos, de modo de obtener una optimización de los resultados y una adecuación a las herramientas y hábitos de trabajo locales. El programa incluye el ensayo hasta la rotura de los elementos estructurales básicos para la sustentación del puente y un prototipo a escala real, que será sometido a un uso particularmente severo. Esto permitirá hacer las correcciones y mejoras oportunas en el diseño. El objetivo es definir una tipología de puente que resulte en una construcción económica, sencilla, confiable y fácilmente ejecutable por personal no calificado. De este modo promover el uso de la madera como material estructural y solucionar al mismo tiempo el problema de la salida de la producción. Con tal motivo se descartó el uso de diseños que impliquen cierta complejidad, sofisticación tecnológica o control de calidad medianamente severo. Tanto la tipología en sí, como las uniones, son fácilmente comprensibles y ejecutables por el personal encargado de la construcción. También se entiendió prudente descartar las soluciones que implicaran el mantenimiento periódico durante la vida útil del puente, porque esto, además de ser difícil de llevar a la práctica, podría descalificar a la madera en el concepto de los usuarios. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 1 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú 2. DESARROLLO 2.1. Programa de Ensayos 2.1.1. Ensayo de Conectores Se ensayaron los siguientes tipos de conectores : bulones Ø16 con conexión transversal ( Probetas 7 y 8) bulones Ø16 con caños y con conexión transversal (Probetas 1,2,3,5,6) bulones Ø16 con caños y sin conexión transversal (Probeta 4) Bulones con caños de conexión: Se observa un comportamiento lineal hasta el 50% de la carga de rotura. La rigidez es prácticamente la misma para todos los ensayos con un valor medio de 12000 kg/cm, aún en el caso de no tener conexión transversal. Se ensayaron 5 probetas obteniéndose los siguientes valores: Probeta Carga de Rotura Despl. en Rotura Límite Lineal aprox. Despl. Límite Lineal Rigidez 1 2 3 5 6 4 (kg) 22350 19200 16200 18500 22800 16100 (mm) 83 87 85 85 86 23 (kg) 12000 10500 9600 10500 13500 10500 (mm) 10 9.5 8 6 13 9.5 (kg/cm) 12000 11100 12000 17500 10400 11100 A la probeta 4 se le quito la conexión transversal mostrando una rotura de tipo frágil. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 2 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú En las probetas 2,3 y 5 al llegar aproximadamente a las 9 toneladas se descargaron y se volvieron a cargar. Tanto la curva de descarga como la nueva curva de carga se mostraron mucho más empinadas, esta última hasta alcanzar la curva de carga inicial. Se observo que en el fenómeno de corte claramente intervienen dos elementos: • El aplastamiento de los conectores contra la madera • La fricción entre troncos A medida que los conectores se deforman hacen presión sobre las tuercas y las arandelas, y estas comprimen los troncos uno contra otro, por lo que el efecto de la fricción aumenta. No se consideró relevante hacer una evaluación de los mismos. Bulones sin caños de conexión: Se hicieron dos ensayos y se obtuvieron los siguientes valores: Probeta 1 2 Carga de Rotura Despl. en Rotura Límite Lineal aprox. Despl. Límite Lineal Rigidez (kg) 22750 19600 (mm) 86 86 (kg) 7500 6300 (mm) 12.5 12 (kg/cm) 6000 5300 Se observa que si bien las cargas y desplazamiento últimos se mantienen, la rigidez se reduce aproximadamente a la mitad. Elección del tipo de conector Dado el sistema de fabricación de estas vigas, las herramientas disponibles y las imprecisiones geométricas propias de la madera en rolos, se optó por usar bulones Ø16 con conexión transversal, sin caños de refuerzo. Se adopta para cada conector, una rigidez de 5500 kg/cm. 2.2. Ensayo de Vigas Cuádruplas Una viga cuadrupla es una viga formada por 4 rolos de madera (Eucaliptus Grandis) dispuestos de forma tal que la suma de las areas de las caras de los rolos sea la misma en ambos extremos de la viga. Los rolos están unidos entre si por bulones de acero (ver características). Se ensayaron hasta la rotura 4 vigas cuádruplas según el esquema. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 3 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú Se midieron la carga aplicada, la deformación de cada viga y el desplazamiento relativo de un rolo con respecto a otro en los extremos. Dimensiones de los Rolos Tronco Viga nº 1 Φ1 Φ2 Viga nº 2 Φ1 Viga nº 3 Φ2 Φ1 Φ2 Viga nº 4 Φ1 Φ2 (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) 1 29 17 21.5 30.5 29 20 22 20 2 29 21 27.5 20.5 19 26 16 27 3 21 29 21 29.5 26 29 20 27 4 17 29 27.5 20 27 23 29 20 Características φbulón φtuerca φarandela earandela 1.5 cm 2,5 cm 5,5 cm 3 mm verticales cada 70 cm horizontales cada 30 cm dist .entre apoyos 10m Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 4 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú En el primer ensayo se hicieron 5 ciclos de carga y descarga con escalones de 2t hasta 8t. Después del quinto ciclo se llegó hasta la rotura de la primera viga, que alcanzó un valor de 12t. Se observó que después de un primer acomodamiento de los conectores, se obtuvo una relación aproximadamente lineal entre cargas y deformaciones. En el segundo ensayo se hicieron 3 ciclos de carga y descarga en escalones de 2t hasta llegar hasta las 10t. Después del tercer ciclo, se siguió aumentando la carga en escalones de 2t hasta la rotura de una de las vigas que llegó a las 15t. El tercer ensayo se efectuó sobre las dos vigas que no se rompieron en los ensayos anteriores. Se aumentó la carga en escalones de 2t, hasta las 17t en que se rompió una de las vigas. En estos dos últimos ensayos se obtuvo nuevamente una respuesta aproximadamente lineal. Se observa que en los tres ensayos, la viga cuya flecha se midió en forma indirecta por el desplazamiento relativo entre vigas, es sistemáticamente mayor. Esto probablemente se deba al acomodamiento de los apoyos. También es mayor la flecha remanente después del primer ciclo. En todos los casos la flecha remanente permanece constante. Si a la segunda viga se le quita la parte de flecha remanente debida a los apoyos, se observa el paralelismo de deformaciones en todos los casos ensayados y la linealidad entre cargas y deformaciones que se mantiene hasta la rotura. Considerando el reducido número de ensayos, la dispersión en el diámetro de los troncos y la dispersión de la resistencia de la madera, se asume como carga última aplicada en la sección central el valor de 12 ton. 2.3. Desarrollo de un Modelo Matemático Cumplida la etapa de ensayos y disponiendo de una cantidad de información razonable sobre el comportamiento de los conectores y de las vigas cuádruplas, es necesario plantear un modelo matemático que permita predecir el comportamiento de las vigas bajo situaciones de carga distintas Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 5 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú de las de los ensayos y que permitan estudiar el comportamiento conjunto del tablero del puente sometido a cargas reales. Se plantea como modelo una estructura reticulada de comportamiento lineal cuyos cordones superior e inferior tienen las mismas área e inercias que las parejas de troncos superior e inferior y cuyas diagonales tienen la misma rigidez frente al desplazamiento horizontal que los conectores. 30 cm Los desplazamientos del modelo se componen con los desplazamientos de los ensayos. Dado que en los conectores se toma la rigidez correspondiente al primer ciclo de carga, el modelo se debe componer con el primer ciclo de carga de las vigas. Datos geométricos: • • • • • • Diámetro de los rolos: Separación de conectores: Área de cada rolo: Inercia de cada rolo: Módulo resistente: Módulo de elasticidad del eucalipto: φ = 24 cm s = 30 cm A = 452 cm2 I = 16300 cm4 W = 1360 cm4 E = 100.000 kg/cm2 Triangulación equivalente: Rigidez de un conector kc = 5500 kg dx /cm s =2.7 cm2 l = 28 cm 3 E*A= 2*l *K/s F l 24 2 E * A = 2 * 283 * 5500 / 302 = 270000 300 El módulo se plantea como un solo par de troncos de sección constante, unidos por una triangulación equivalente a los conectores. La carga a aplicar del modelo es la mitad, considerando que en el diseño de puente previsto los momentos sobre cada viga cuádrupla no van a superar los 15 tm. Se toma como carga de referencia el valor de 6 t. Para esta carga la flecha en el modelo es de 6,8 cm y el desplazamiento en los extremos es de 2,4 mm. Comparando los resultados del modelo matemático con los ensayos realizados se concluyó que la coincidencia en la flecha es muy buena y en los deslizamientos es aceptable, aún con cargas próximas a la rotura por lo que el modelo se puede aceptar como bueno. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 6 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú 2.4. Análisis de Distintas Tipologías de Puentes 2.4.1. Vigas Cuádruplas (Tipología 1) Basados en el modelo matemático de la viga cuádrupla se establece un modelo de puente formado por 8 vigas y rolos transversales unidos a las vigas. 30 100 10000 8 vigas cuádruplas 100 Φ16c/30 Φ16c/60 Φ16c/30 Conectores 4000 4000 4000 24 24 A’ = 904 cm2 I’x = 32600 cm4 W’x = 2720 cm3 2.4.2. Vigas Reticuladas Invertidas (Tipología 2) Se trata de un puente reticulado de madera, con uniones realizadas por bulones de acero, y con cimentaciones de hormigón armado.La luz del puente es de 10m, tiene un ancho total de 537 cm y un ancho libre para circulación de 393 cm. La altura del reticulado es de 200 cm. Los rolos de madera de eucaliptus grandis tienen en los reticulados un diámetro promedio de 24 cm y en el tablero de 24,5 cm. La terminación del tablero y superficie de rodadura, esta compuesta por durmientes del mismo material. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 7 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú Los bulones de los nudos de la cercha son de 3" de diámetro en acero 1045, los nudos de vinculación cercha-postes del tablero son de 3/4" de diámetro en acero 1045. Los bulones que vinculan los durmientes de la superficie de rodadura con los rolos transversales del tablero son de 1/2" en hierro dulce. 2.5. Ensayo Puente Tipología 2 2.5.1. Descripción y Procedimientos de Ensayo 2.5.1.1. Ensayo de Carga Estática con Pesas El primer ensayo de carga estática se realizó con una carga total de 41 ton. La carga estuvo compuesta por: Losas de hormigón armado Fardo de madera Dimensiones promedio (cm) 260 x 130 x 25 130 x 130 x 25 - Peso promedio (Kg) 2000 1000 2000 Para el pesaje de los bloques se tomaron 3 muestras aleatorias las cuales se pesaron en la balanza de camiones del aserradero la cual tiene una precisión de 10 Kg. De los pesajes realizados se calculó que la densidad media aproximada de los mismos es de 2500 Kg/m3. Tomando en cuenta las dimensiones de los bloques restantes y las irregularidades que presentan se tomaron los pesos promedio especificados en la tabla anterior. Para llegar a la carga total se colocó en los tramos penúltimo y último fardos de madera cuyo peso se obtuvo con la misma balanza y es de 2000 kg. Todas las aproximaciones realizadas tienden a tomar pesos menores a los reales con el fin de estar del lado de la seguridad. La distribución de las cargas sobre el puente fue la siguiente: Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 8 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú 2.5.1.2. Ensayo De Carga Estática Con Camión El tren de cargas utilizado en este caso consiste en un camión de eje simple delantero y doble trasero. La distancia entre el eje delantero y el eje trasero (último) es de 680 cm, y la distancia entre ejes traseros es de 130 cm. El camión cargado con piedra partida y pesas de hormigón fue pesado en la balanza anteriormente mencionada alcanzando un peso total de 30000 Kg. El ensayo consistió en detener el camión sobre el puente durante 10 min centrando el camión en el tablero del puente transversal y longitudinalmente. 2.5.1.3. Ensayo de Carga Dinámica: El ensayo consistió en realizar 10 pasadas del camión recién mencionado, con la misma carga, tomando medidas cada segundo y discretas en las siguientes posiciones del camión sobre el puente: antes de la entrada cuando el último eje del camión estaba totalmente sobre el tablero cuando el punto medio entre ejes del camión se alineaba con el punto medio longitudinal del puente cuando el eje trasero del camión estaba en el fin del tablero 3. CONCLUSIONES 3.1. Nudos de las Vigas En los nudos los resultados del modelo, prácticamente coinciden con las mediciones. En el modelo se tomó un perno de 100 mm de diámetro sujeto en el eje de las barras contra los 75 mm reales para compensar la rigidez producida por el empotramiento del perno en el agujero del tronco y la fricción entre los troncos. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 9 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú El desplazamiento relativo de los troncos que concurren a un perno, que es una medida del comportamiento de los nudos, fue apenas medible con los instrumentos. No se observaron fisuras, ovalamiento de los agujeros ni curvatura de los pernos. A los efectos del dimensionado en otras situaciones de cargas se entiende que es posible tener en cuenta el empotramiento del perno en el agujero del tronco. No se recomienda tener en consideración las fricción de los mismos , por las variaciones volumétricas propias de la madera. 3.2. Vigas El comportamiento general del modelo se aproxima bastante bien al comportamiento real, aunque surgen algunas diferencias. Los movimientos transversales del cordón superior son mucho mayores que los del modelo. En esto puede estar influyendo la luz entre el perno y los agujeros de las piezas de apoyo. Si bien estos movimientos no resultaron demasiado importantes, se recomienda arriostrar transversalmente el cordón superior de las vigas a la fundación. Los desplazamientos verticales totales menos los remanentes son algo inferiores a los del modelo. Habiendo coincidencia entre los diámetros y los módulos de elasticidad, se presume que esta discrepancia se debe a que quedan esfuerzos remanentes en la parte interior del cordón inferior, que impiden las vigas vuelvan libremente a su posición de reposo. Esto no tiene ninguna consecuencia negativa para el comportamiento del puente. En los ensayos dinámicos, las curvas de respuesta de las tensiones y de las deformaciones muestran un comportamiento uniforme y perfectamente elástico de las vigas, manteniéndose prácticamente la deformación remanente que quedó del ensayo estático. La uniformidad de los resultados en los diez ciclos de carga lleva a pensar que la respuesta estructural de las vigas no va a ser afectada por el uso del puente, en otros términos, el pasaje de camiones no va a deteriorar las vigas. La flecha máxima por carga dinámica se mantiene en el orden de los 2 cm, por lo tanto la relación flecha /luz es aproximadamente 1/500 lo cual supera los requerimientos de las normas DIN y AASHTO para este tipo de puentes. La deformación de las vigas resultó imperceptible para el conductor del vehículo y no generó sensaciones desagradables para las personas que estaban sobre el puente. La buena coincidencia con el modelo matemático permitirá extrapolar los resultados de este ensayo a luces mayores o cargas diferentes. 3.3. Tablero En el ensayo dinámico, los troncos transversales mostraron un buen comportamiento resistente, a pesar de las elevadas tensiones a que fueron sometidos. No obstante las deformaciones resultaron muy elevadas. En particular el primer tronco se deformó de modo exageradamente grande bajo la carga de la rueda del camión al ingresar al puente. Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 10 XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú Esto puede producir deterioros puntuales a mediano plazo y debe ser evitado, cualquiera sea el tipo de pavimento que se utilice. Como posibles medidas para mejorar esta situación se señalan: 1. Aumentar el diámetro de los troncos 2. Colocar dos troncos longitudinales en los tercios de la luz abulonados a los troncos transversales. 3. Apoyar estos troncos longitudinales sobre la fundación de las cabeceras. 4. Apoyar la mayor cantidad posible de troncos transversales en las dos barras del cordón inferior de las vigas. Los troncos longitudinales tienen la función de repartir las cargas concentradas entre varios troncos transversales. Si se quisiera hacer un pavimento asfáltico, se recomienda tomar todas estas medidas y apoyar la carpeta asfáltica sobre 10 a 15 cm de tosca compactada. AUTORES Ing. Santiago Mullin, Ing. Eduardo Pedoja Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected] Ver indice 11
