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Introducción. Actualmente, para el desarrollo de la infraestructura del transporte de un país es importante impulsar proyectos de investigación que promuevan la aplicación de nuevas tecnologías para su construcción, diseño y operación, con el objetivo de mejorar su desempeño, incrementar la vida útil y disminuir los costos de construcción, operación y mantenimiento. Un caso particular de este tipo de propuestas es el concepto del pavimento de concreto estructuralmente reforzado continuo (PCERC) [1], que es una alternativa a los pavimentos tradicionales de concreto que se han estado utilizando en las últimas décadas en México. En este caso, con el PCERC se propone un pavimento de menor espesor con dos mallas de acero de refuerzo que en principio, puede ser más eficiente desde el punto de vista estructural y más económico para carreteras de gran afluencia. Así, es que el IMT desarrolla un estudio experimental para determinar, en el tiempo, el desempeño estructural de un sistema PCERC y determinar su viabilidad para la construcción de carreteras. Para el diseño propuesto, es de particular importancia la evaluación del deterioro en el tiempo a través de monitoreo periódico [2] y pruebas puntuales sobre el pavimento. En esta nota técnica se describen algunos de los primeros resultados obtenidos de las pruebas en campo. Instrumentación del tramo experimental PCERC Para evaluar el desempeño estructural del PCERC, se realizó una propuesta para la construcción de este tipo de sistema en la autopista México-Querétaro en el tramo carretero entre Palmillas-Querétaro carril de baja velocidad del cuerpo B entre el km 166+000 y el 166+300 con un ancho de carril de 3.50 m. Para la construcción en el tramo seleccionado, se demolió la losa de pavimento de concreto tipo JPCP, “Jointed Plain Concrete Pavement”, y se construyó una losa de concreto hidráulico con doble malla de acero como refuerzo con un espesor de 18 cm, el arreglo del PCERC se puede observar en la Figura 1. La losa antigua fue construida con un espesor aproximado de 32 cm por lo que el espesor restante (12- 15 cm) se cubrió con material granular (base hidráulica) o base estabilizada con cemento al 5 % [3].
Figura 1. Detalle del arreglo del pavimento de concreto Estructuralmente reforzado continuo
Para facilitar la evaluación y correlación de los datos del monitoreo estructural del tramo experimental, se decidió instrumentar una longitud de 16 metros, la cual abarca 7 arreglos de dos mallas, una malla superior a 6 cm de profundidad y una inferior a 15 cm de profundidad. De los 7 arreglos experimentales 3 arreglos se encuentran apoyados sobre una base hidráulica y los restantes sobre una base estabilizada. La cercanía de las bases tiene como beneficio la proximidad de los sensores por lo que la información recopilada puede ser comparada directamente, usando de referencia el paso del mismo vehículo. Para evaluar periódicamente el tramo carretero se implementó un sistema de monitoreo con sensores de fibra óptica de deformación, temperatura y aceleración con el objetivo de medir la deformación unitaria en el concreto y en el acero por efecto del paso de vehículos con diferentes cargas, y a distintas velocidades, la temperatura en el sistema estructural para obtener el gradiente a lo largo del espesor de la losa de concreto y asociar estos gradientes térmicos con las deformaciones sufridas en el concreto y en las varillas de acero y finalmente, para procesar las respuestas dinámicas de aceleración del sistema y comparar las frecuencias naturales del sistema estructural en el tiempo y evaluar la pérdida de rigidez del sistema. En la Figura 2 se muestra una vista superior del tramo experimental instrumentado, en ella se observa la posición relativa de los sensores, el lugar del cambio de base hidráulica a base estabilizada para el pavimento y una grieta inducida al sistema para evaluar su capacidad estructural bajo agrietamiento.
Figura 2. Arreglo experimental para la base Hidráulica y la base estabilizada.
El sistema de monitoero estructural implementado, consistió en el siguiente conjunto de sensores: 2 acelerómetros colocados sobre la rodera del lado derecho del conductor, uno para la base hidráulica y otro para la base estabilizada, 5 sensores de temperatura colocados en la base estabilizada espaciados cada 3 cm, dos arreglos de seis sensores de deformación distribuidos de la siguiente forma: dos sensores en la dirección longitudinal sobre la rodera, uno para medir las deformaciones del acero y otro para las deformaciones del concreto, dos sensores tranversales al centro del PCERC de igual forma uno para medir deformaciones en el concreto y otro para medir deformaciones en el acero y, finalmente, dos sensores logitudinales en la frontera del carril de baja velocidad con el carril de media velocidad distribuidos de igual manera uno para acero y otro para concreto. Adicionalmente, se indujó una grieta en la base estabilizada en el km 166+150, sobre este tramo se colocó un arreglo de 15 sensores, 9 para medir las deformaciones longitudinales y tranversales del acero y 6 para medir las deformaciones longitudinales y transversales del acero. En la Figura 3 se puede observar la colocación de los sensores sobre las mallas del PCERC.
Figura 3. Sensores instalados en el tramo experimental carretero.
Análisis de resultados Efecto térmico. Uno de los principales resultados analizados fue la influencia de la temperatura sobre el PCERC. Durante todo el día la temperatura del interior de la losa de concreto es fluctuante alcanzando un gradiente térmico desde la superficie hasta los 18 cm de profundidad que va desde 1 grado hasta más de 8 grados. En la figura 4 se pueden ver algunos de los gradientes de temperatura durante el transcurso del día, puede observarse que durante la madrugada la superficie se encuentra con una menor temperatura y conforme el día transcurre se invierten los patrones para que la superficie alcance la mayor temperatura, Invirtiéndose por completo los gradientes térmicos entre las 9 y 11 de la mañana.
Figura 4. Gradiente de temperatura durante el transcurso del día.
Una consecuencia notable de estos cambios térmicos en el comportamiento estructural del PCERC, es que durante el día la magnitud de las deformaciones registradas en el acero y en el concreto no son iguales ante el efecto de una misma carga. Para corroborar este efecto se hizo circular un vehículo T3-S2, (tracto camión con remolque con peso controlado) a diferentes horas del día esperando observar la diferencia en las magnitudes de las deformaciones unitarias bajo estos escenarios. En la figura 5 pueden observarse los cambios en las magnitudes de las deformaciones registradas en dos distintas horas para un mismo sensor de deformación longitudinal en el concreto, colocado sobre la rodera para la base hidráulica. En la gráfica es claro el aumento en magnitud en la deformación en más del 300%.
Figura 5. Registro de las microdeformaciones de un carga controlada con diferentes gradientes térmicos.
De las mediciones registradas y analizadas periódicamente, se observó que durante la mañana, cuando el sistema es más frio, se registran los mayores esfuerzos sobre el PCERC y conforme el sistema se calienta las magnitudes disminuyen gradualmente. Los registros generados se analizaron para cada cambio en un grado de temperatura durante el transcurso de un día y a través de varias mediciones en el tiempo, de la información, se corroboró la diferencia en magnitud de esfuerzos a diferentes temperaturas y la estabilización del sistema PCERC a través del tiempo. Producto de las mediciones realizadas y analizadas, se destaca una característica particular de comportamiento estructural del PCERC con las distintas bases de sustento del sistema. Mientras que en la base estabilizada se presentan condiciones de compresión en los sensores de deformación colocados sobre el concreto y de tensión en los sensores colocados sobre el acero, como era de esperarse, en la base estabilizada se obtienen mediciones durante casi todo el día de compresión tanto en los sensores de deformación instalados en concreto como en el acero, lo cual es una situación deseable y que debe estudiarse con detalle ya que es favorable que el sistema en conjunto se encuentre trabajando a compresión. Finalmente, en la figura 6 se puede observar ciclos térmicos completos durante un día en diferentes fechas durante el año, el gráfico muestra los resultados obtenidos del sensor colocado en concreto en dirección longitudinal sobre la base hidráulica, en él se puede apreciar como el sistema conforme se comienza a calentar se comprime hasta alcanzar su mayor valor a la temperatura más alta, posteriormente regresa y forma un ciclo por las diferencias que hay entre la velocidad con la que se calienta con respecto a la que se enfría. Otra característica visible de este gráfico, es que cuando se comenzó a dar seguimiento al sistema el concreto no había adquirido todas sus características mecánicas, por lo que para las siguientes mediciones hay un decremento de 6 MPa a un mes de monitoreo siendo que el sistema contaba aproximadamente con las mismas temperaturas.
Figura 6. Ciclos térmicos en un sensor colocado en concreto en la dirección longitudinal sobre la base estabilizada.
Conclusiones Con el monitoreo que se realizó en el tramo de prueba, a un año de entrar en operación, se observa que el efecto de temperatura en el sistema PCERC es fundamental por el gradiente térmico que se genera y que provoca cambios en las deformaciones registradas a lo largo del día. Lo anterior puede deberse a los cambios en las condiciones de frontera entre el sistema PCERC y la base (hidráulica o estabilizada). Otro efecto del gradiente térmico es que los esfuerzos originados por un ciclo de temperatura son ligeramente mayores que los registrados por las cargas vivas de los vehículos, lo cual debe analizarse con detalle puesto que se tiene un ciclo térmico al día, comparado con los miles registrados por carga viva en ese mismo día. Es concluyente que el sistema, en ambas bases, presenta mayores deformaciones a medida que baja la temperatura; adicionalmente, el pavimento es más sensible a las deformaciones con la base hidráulica, respecto a la base estabilizada. La diferencia en las deformaciones por el efecto de la temperatura sobre el PCERC, considerando ambas bases y como se mencionó, podría explicarse por los cambios en las condiciones de frontera entre el PCERC y las bases; además, del hecho de que se induce un efecto de compresión por la dilatación del sistema estructural y el confinamiento del mismo por ser un pavimento continuo. Por lo tanto, para entender mejor el sistema PCERC y en un futuro proponer mayores ventajas estructurales, es necesario desarrollar un estudio de simulación que analice el efecto térmico y las condiciones de frontera. En este caso, la información recabada durante el año de monitoreo, representa una ventaja para el estudio de simulación ya que se puede calibrar mejor el modelo al repetir las condiciones observadas en campo. Finalmente, es importante resaltar la importancia del estudio realizado y el impacto que puede tener la aplicación de esta nueva tecnología de mostrarse su viabilidad; pero también y en general, debe destacarse la relevancia de toda investigación aplicada que pueda llegar a mejorar la infraestructura de México y que permita contar nuevos desarrollos tecnológicos que den solución a los distintos problemas existentes e, inclusive, puedan generar empresas que puedan competir en un mercado mundial.
[1] Pavimentos de concreto para carreteras Congreso Mundial de Carreteras IMCYC
[2] Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring Branko Glisic and Daniel Inaudi Ed. John Wiley & Sons, 2007.
[3] Long term monitoring of a continuous reinforced pavement highway Quintana Juan, Carrión Francisco, Garnica Paul, Gutierrez Jorge, Paez Generoso, Crespo Saúl, Gómez Antonio. Workshop on Civil Sructural Health Monitoring (CSHM-4), Berlin Alemania, 2012 CARRIÓN Francisco
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