Análisis del comportamiento de tableros de obras de paso de carretera ejecutados con placa alveolar pretensada

Resumen

Desde finales del siglo pasado se viene registrando un creciente, aunque discreto, interés por el empleo de placas alveolares pretensadas en ámbitos de la construcción no necesariamente relacionados con los forjados convencionales o los elementos de cerramiento donde su empleo es profuso. Cubrición de canales, muros de contención o tableros de obras de paso son entre otros algunos ejemplos del intento de diversificar el uso de las mismas.
La particular extrapolación a la ejecución de tableros de obras de paso de carreteras en ámbitos de luces cortas, hasta 20m de luz, ha sido y sigue siendo una práctica con cierta presencia aunque nunca comparable en número a las realizadas con otras tipologías. Carreteras secundarias o caminos con poca intensidad de tráfico son los principales ámbitos de aplicación.
La placa alveolar en un producto de excelente calidad puesto que es un elemento prefabricado y además es pretensada. Se conoce su comportamiento de una manera muy precisa para un determinado ámbito de aplicación, los forjados. En una primera aproximación, las similitudes entre los forjados y los tableros de obras de paso son evidentes. Cargas repartidas uniformemente o puntuales actuando perpendicularmente al plano de los elementos ó acciones horizontales provocadas por sobrecargas, sismos o deformaciones impuestas. Existe suficiente conocimiento teórico como para comenzar a caminar en la investigación del nuevo ámbito de aplicación a pesar de que la excentricidad de las acciones sobre los puentes es mucho más elevada.
La morfología básica para la ejecución de tableros de obras de paso está compuesta por una serie de placas, habitualmente en número de 6 a 10, que se disponen yuxtapuestas según el sentido de circulación y simplemente apoyadas en sus extremos sobre elastómeros corridos sin zunchar. Posteriormente se hormigona in situ una capa de reparto que a su vez rellena el espacio entre placas, las juntas longitudinales, materializando llaves de cortante capaces de transmitir esfuerzos entre placas contiguas.
Los modelos de cálculo de esfuerzos de forjados de placas alveolares están basados en simplificaciones de la teoría de la elasticidad suponiendo una colaboración transversal entre placas alveolares siempre y cuando se respeten una serie de condiciones de indeformabilidad horizontal del conjunto. Las placas se suponen como elementos isótropos ó anisótropos y las juntas longitudinales como rótulas. El inconveniente es que estos modelos no recogen el efecto de la capa de reparto y por tanto hay que avanzar en las herramientas de modelización para poder representar el tablero estándar.
Los modelos de cálculo habitualmente utilizados para la obtención de esfuerzos en este tipo de tableros se basan en el método del emparrillado plano. Longitudinalmente se disponen barras que representan la sección compuesta de la placa más la capa de reparto tributaria; transversalmente se disponen barras que representan la capa de reparto. El método tiene un inconveniente. No es demasiado preciso para establecer la magnitud de los esfuerzos de torsión que actúan sobre las placas porque es incapaz de representar el efecto del espesor de las mismas, el cual influye de manera notable sobre el reparto transversal de esfuerzos.
La poca capacidad resistente a torsión de las placas alveolares motivada por la imposibilidad de colocar armadura en forma de cercos dentro de las mismas durante el proceso de fabricación supone una limitación a la aplicación de las mismas. Los esfuerzos de torsión de un tablero
sometido a acciones de tráfico son, a priori, mayores que los de un forjado. Los ensayos de laboratorio sobre torsión pura en placas alveolares no aportan resultados muy halagüeños. Las resistencias a torsión son muy bajas y además las roturas son frágiles.
Por otra parte, las tensiones rasantes generadas por las sobrecargas de tráfico y las deformaciones impuestas sobre la junta entre placas y capa de reparto no pueden ser absorbidas únicamente por la cohesión entre hormigones a la luz de los cálculos realizados con las normativas en vigor ya sean Eurocódigos, ACI o EHE-08. Teóricamente es necesario colocar una armadura suplementaria en las juntas longitudinales entre placas para poder coser de alguna manera la capa de reparto a las placas.
Sea como fuere, a pesar de los aparentes problemas descritos, algunas administraciones se muestran favorables al empleo de este sistema máxime cuando los tableros ejecutados no presentan problemas en servicio. Sin embargo, siguen sin existir recomendaciones o normativas que amparen el uso de esta tipología pero lo más importante, y este es el objetivo de este trabajo, es que falta una explicación rigurosa del buen comportamiento observado lo cual es fundamental para poder valorar el estado de seguridad real y los límites de posibles extrapolaciones.
En la actualidad se conocen novedosos y potentes sistemas de modelización. También es posible modificar los procesos de fabricación para introducir armaduras de cosido en espera que permiten conectar placas con la capa de reparto si fuera necesario. La aplicación de las herramientas de modelización disponibles para forjados, previo análisis de la precisión de las mismas, ha permitido desarrollar un nuevo método híbrido de modelización para representar los tableros de placa alveolar pretensada. Se trata de un sistema que representa las placas alveolares mediante elementos finitos de tipo barra y la capa de reparto mediante elementos finitos de tipo lámina. Ambos elementos se conectan mediante condiciones cinemáticas que imponen la planeidad de las secciones tras deformarse estas (hipótesis de Navier) y compatibilizan los giros de torsión según la hipótesis de Saint-Venant. Las juntas longitudinales entre placas se modelizan con elementos de contacto capaces de transmitir esfuerzos de corte verticales y longitudinales así como compresiones según el plano normal a la junta. No se permiten tracciones. Por último, también se permite modelizar el efecto del espesor de las placas mediante la introducción de unos nodos llamados esclavos solidarios a cada uno de los nodos de la directriz de las placas.
Con el sistema de modelización puesto a punto se plantea su aplicación a un tablero típico de 10m de anchura y 12m de luz de vano capaz de albergar una calzada con dos carriles de 3,5m de anchura, dos aceras de un metro y pequeños espacios de 0,5m de anchura para disposición de elementos de contención. Para la modelización se emplean placas alveolares de 400mm de canto de las que existe una ingente cantidad de documentación disponible proveniente de ensayos de laboratorio a escala real. Una vez obtenidos los esfuerzos con el anterior modelo se comprueban determinados Estados Límites tanto de Servicio como Últimos representativos del comportamiento.
La introducción de una capa de reparto con el espesor adecuado junto con la incorporación del efecto del espesor de las placas hace que los esfuerzos de torsión sobre las placas disminuyan hasta casi desaparecer. Esto permite a las placas emplearse prácticamente en trabajo longitudinal haciendo desaparecer el peligro de la torsión y dando por tanto explicación, al menos en el plano teórico, al buen comportamiento observado en la práctica.
Para las comprobaciones relativas a tensiones rasantes entre hormigones se ha empleado un modelo aún más perfeccionado que contempla la introducción del pretensado de manera explícita así como la reología del sistema paso a paso en el tiempo y diferentes fases constructivas basadas en dos calendarios distintos. La interfaz de contacto se ha modelizado con elementos no lineales con leyes -d basadas en los últimos ensayos realizados en laboratorios de EEUU o Brasil entre otros. Los resultados han puesto de manifiesto la existencia de determinados mecanismos de redistribución interna que permiten aliviar tensiones en el entorno de los apoyos donde más peligrosas resultan de cara al despegue (peeling) resultando válida la verificación frente a tensiones rasantes y concluyendo por tanto que con un adecuado método de modelización es posible explicar el correcto funcionamiento a pesar de las iniciales contradicciones que los métodos de cálculo habituales, o más elementales, y las normativas predicen. Since the end of the last century there has been a growing interest in the use of prestressed hollow core slabs (HCS) in areas of construction not necessarily related to conventional slab floors or enclosure elements where their use is profuse. Covering of ducts, retaining walls or bridge decks are some examples of the attempt to diversify the use of them.
The particular extrapolation to the execution of short span bridge deck roads, up to 20m, has been and continues being a practice with a certain presence although never comparable in number to those realized with other typologies. Secondary roads or roads with low traffic intensity are the main areas of application.
The hollow core slab is a product of excellent quality since it is a precast element and is also prestressed. The behavior is known in a very precise way for a certain field of application, slab floors. In a first approximation, the similarities between the slab floors and the bridge decks are evident. Loads distributed uniformly or punctual acting perpendicular to the plane of horizontal elements or actions caused by overloads, earthquakes or imposed deformations. There is enough theoretical knowledge to begin the investigation of the new scope.
The basic morphology for the execution of bridge decks with hollow core slabs is composed of a series of them, usually in number from 6 to 10, which are arranged juxtaposed according to the direction of circulation and simply supported at their ends on simple elastomeric bearings. Subsequently a cast in situ layer is poored which also fills the space between the longitudinal joints, materializing the shear keys capable of transmitting forces between adjacent slabs.
The calculation models of hollow core slab floor slabs are based on the theory of elasticity that involves a transversal collaboration between slabs as long as a series of conditions of horizontal undeformability of the set are respected. Slabs are assumed as isotropic or anisotropic elements and longitudinal joints are assumed to be hinges. The disadvantage is that these models do not capture the effect of the topping layer and therefore it is necessary to advance in the modeling tools to be able to represent the standard deck.
The calculation models usually used to obtain efforts in this type of bridge decks are based on the plane grillage method. Longitudinally, bars representing the composite section of the slab plus the tributary topping layer are arranged and transversally arranged bars representing the topping layer are provided. The method has a drawback. It is not too precise to establish the magnitude of the torsional stresses acting on the plates because it is unable to represent the effect of the thickness thereof, which greatly influences the transverse distribution of stresses.
The poor torsional capacity of the hollow core slabs motivated by the impossibility of placing reinforcement in the form of stirrups within them during the manufacturing process supposes a limitation to the application of the same. The torsion stresses of a bridge deck subjected to traffic actions are, a priori, greater than those of a conventional slab floor. The laboratory tests on pure torsion in alveolar plates do not give very good results. The torsion resistances are very low and also the failures are fragile.
On the other hand, the shear stresses generated by the traffic loads and the imposed deformations along the interface between the slabs and the topping layer cannot be absorbed only by the cohesion between concretes according to the calculations made with the existing standards Eurocodes, ACI or EHE-08. Theoretically it is necessary to place an additional reinforcement in the longitudinal joints between plates in order to be able to connect the topping layer to the slabs.
In any case, despite the apparent problems described, some administrations are favorable to the use of this system especially when the executed decks do not present problems in service. However, there are still no recommendations or regulations that support the use of this typology. Nowadays, new and powerful modeling systems are known. It is also possible to modify the manufacturing processes to introduce reinforcement connections that allow to connect the slabs with the topping layer if necessary.
The application of the modeling tools available for slabs, after analyzing their accuracy, has allowed the development of a new hybrid modeling method to represent hollow core slabs bridge decks. It is a system that represents the HCS by means of beam type finite elements and the topping layer by shell type finite elements. Both elements are connected by kinematic conditions that impose the flatness of the sections after deforming them (Navier's hypothesis) and compatibilize twisting twists according to the Saint-Venant hypothesis. The longitudinal joints between plates are modeled with contact elements capable of transmitting vertical and longitudinal shear forces as well as compressions according to the plane normal to the joint. Tension is not allowed. Finally, it is also possible to model the effect of the thickness of the slabs by introducing nodes called slave nodes to each of the nodes of the alignment of the slabs.
With the modeling system developed and checked, it is proposed to be applied to a typical bridge deck of 10 m width and 12m span length capable of housing a carriageway with two lanes of 3.5 m wide, two sidewalks of one meter and small spaces of 0.5 m wide for the provision of railling elements. For the modeling, a 400 mm depth HCS is used for which there is an enormous amount of documentation available from real-scale laboratory tests. Once the efforts with the previous model have been obtained, several States Limits of both Service and Ultimate as representative of the behavior of this typology are verified.
The introduction of a casting layer with the proper thickness together with the incorporation of the effect of the thickness of the HCS causes the torsional stresses on the plates to diminish to almost disappear. This allows the slabs to be used in practically longitudinal work, thus eliminating the danger of torsion and thus explaining, at least theoretically, the good behavior observed in practice.
For the verification of the Shear limit state between slabs and topping,, an even more sophisticated model has been used, which includes the introduction of explicit prestressing tendons as elements as well as the rheology of the system step by step in time and different construction phases based on two different schedules. The contact interface has been modeled with non-linear elements with F-d laws based on the latest tests carried out in laboratories in the USA or Brazil, among others. The results have revealed the existence of certain mechanisms of internal redistribution that allow to relieve tensions in the surroundings of the supports where more dangerous result to the takeoff between elements resulting, therefore, the verification of the shear limit state as valid.
It is concluded that with an adequate method of modeling it is possible to explain the correct behavior of this type of decks despite the initial contradictions that the calculation methods and the regulations predict.