A Theoretical and computational append
A.2 Computational algorithm
sistema.
Como se mencionó anteriormente, reproducir las condiciones actuantes en un pavimento no es fácil, por lo que inicialmente se considerará un sistema estructural y se analizará por el método del PCA.
Independientemente de este análisis, en gabinete se llevará a cabo la tarea de crear un nuevo modelo por medio de un ordenador, el cual pueda proporcionar resultados parecidos al mundialmente avalado método del PCA en pavimentos, hasta calibrar y tener plena seguridad que los resultados obtenidos por medio de la computadora son confiables para representar cualquier modelo de pavimento portuario. La formulación del problema de cálculo estructural de pavimentos consta de tres aspectos básicos: 1) Modelo de la carga superficial
2) Modelo de los materiales
Instituto de Ingeniería
Universidad veracruzana
Tesis de Maestría 2007
Ing. Lorena del Carmen Santos Cortés
6.13.2 Modelos típicos usados en sistemas estructurales a) Modelos de carga
La carga aplicada puede ser modelada como, una carga estática, una carga móvil, una carga vibratoria o una carga de impulso. La mayoría de los programas usan en la práctica el modelo de carga estática, ya que modelar cargas móviles o dinámicas es mucho más complejo y requiere mayores esfuerzos de formulación y de cálculo.
En general, puede afirmarse que las cargas móviles producen tensiones menores que las estáticas de igual magnitud, por lo tanto el factor de impacto hasta ahora usado por los pavimentos de concreto, carece de sentido. Sin embargo, conviene tener en cuenta, similarmente a lo establecido para el cálculo un factor de seguridad con respecto a las cargas, por lo que las cargas estáticas son representativas y se mantienen del lado de la seguridad.
b) Modelo de los materiales
En general, los programas usados asumen que los materiales del pavimento son lineales y elásticos. Este supuesto es una aproximación para la mayoría de los materiales del pavimento; ya que en los materiales granulares de base y sub-base la respuesta depende de las tensiones y por lo tanto no tienen respuestas lineales bajo la carga.
El comportamiento de los materiales de la explanada, arenosos o arcillosos también depende de las tensiones y no es lineal. El módulo de reacción “K” de una explanada arenosa se incrementará con la profundidad bajo la acción del peso propio, mientras que una explanada arcillosa se incrementará al aumentar la distancia horizontal de la carga.
Sin embargo, para facilitar el modelo se asumen estas consideraciones las cuales originan ciertas diferencias con el comportamiento real del pavimento, pero su aproximación dependen también en gran medida del resto de las consideraciones de borde, apoyo, cargas, etc. Finalmente los resultados del nuevo modelo estructural se deben comparar con el diseño de pavimentos por el método de PCA. c) Respuesta del pavimento
Se necesita un modelo de respuesta en los procedimientos de análisis para calcular la deflexión bajo la carga de ensayo. En general, dependiendo del modelo de carga y de los modelos de respuesta de los materiales, el modelo de respuesta del pavimento se puede clasificar en cuatro tipos:
1) Análisis lineal estático 2) Análisis estático no lineal 3) Análisis lineal dinámico y 4) Análisis no lineal dinámico.
El análisis lineal estático es sin duda el modelo más ampliamente usado en la práctica, gracias a su simplicidad, fácil interpretación y a la amplia disponibilidad de programas de ordenador de este tipo.
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Para esta investigación se utilizará el software RAM Advanse basado en el método de elementos finitos con un análisis lineal. Las cargas simuladas en el sistema se realizan para el caso estático.
6.13.3 Consideraciones básicas en la formulación del modelo
En la modelación del nuevo sistema se han considerado algunos aspectos como son:
o La adaptación de cada variable (tipo de tránsito, refuerzo, etc) a las condiciones naturales a que
están sometidos los pavimentos en el puerto de Veracruz, para evitar que se desprendan interpretaciones diferentes a los objetivos buscados.
o Las restricciones de diseño en cuanto a las características de los materiales de la región.
Las directrices generales que determinan el diseño del pavimento, en función de los aspectos expuestos se trató en varias reuniones realizadas con el director de tesis y un tercer miembro de apoyo directo.
En dichas reuniones se abordaron cuestiones como:
o La composición de un pavimento portuario, y el tipo de bases y sub-bases más comúnmente
empleadas en la región
o Las cargas impuestas a los pavimentos en la zona portuaria de Veracruz o La eficiencia en la transferencia de cargas en las juntas
o Los tipos de juntas a emplear en el pavimento
o El enfoque y la formulación del modelo del sistema en función de las categorías y variables de
estudio
o La elección de las diferentes variables que se manejan, ya que por ser un sistema muy
complejo, no se incluyen todas las variables, sino únicamente las que se considera que tienen mayor importancia en el comportamiento del sistema
o Las características de los agregados de la región en las mezclas y la incidencia de las fibras de
polipropileno en la resistencia
o Correcciones, modificaciones del modelo de análisis en función de los resultados arrojados en
las primeras corridas del programa RAM Advanse y la formulación definitiva del sistema en función de los índices de fiabilidad alcanzados
Para la creación del modelo se parte del esquema conceptual y los conceptos básicos de diseño en pavimentación, empleándolos como una orientación inicial con relación a la estructura del mismo y de las variables de estudio.
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Se pretende que el modelo refleje un comportamiento previamente establecido de acuerdo a sus condiciones de servicio, tal como se muestra en la Figura 6.10.
Figura 6.10. Esquema de la medida de resultados mediante pruebas de laboratorio.
6.13.4 Secuencia de elaboración del análisis estructural
Las variables y la determinación de las cargas son el punto de partida para la elaboración del análisis del pavimento, ya que, en términos generales, se emplearán como categorías de las cuales surgirán los diferentes aspectos de comportamiento y procedimientos que desembocarán con el diseño estructural del elemento.
Con la finalidad de hacer más comprensible el procedimiento de análisis se presenta en forma gráfica la secuencia en la Figura 6.11.
El análisis estructural se formulará cuidando los niveles de seguridad de la estructura, sus cargas impuestas y el número de repeticiones ocasionado por sus cargas rodantes, y la capacidad de interpretación de la realidad del objeto de estudio.
El diseño estructural del pavimento comprende todo el proceso de la investigación, incluyendo las pruebas de concreto previamente elaboradas, para analizar los colectivos de estudio correspondientes a la investigación.
El punto de partida del diseño del pavimento es el método del PCA, para posteriormente pasar a la elaboración del modelo. Una vez que dicho modelo se ha ajustado y sus resultados son confiables, se efectuará la revisión para diferentes tipos de tráfico. Los resultados de esta primera fase de validación serán los que determinen si el modelo del sistema es adecuado o se debe realizar algún ajuste, o como alternativa final realizar la propuesta de otro modelo que satisfaga las condiciones reales de la estructura.
Pruebas de diferentes mezclas de concreto con fibras PP
Análisis estructural del pavimento con el software RAM Advanse Comportamiento Respuesta Interpretación C1 C2 C3 C4 Cn R1 R2 R3 R4 Rn
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Figura 6.11. Secuencia del análisis estructural del pavimento.
6.13.6. Resultados del software
Los resultados se presentarán en forma global para cada tipo de variable. Se trabajará con 3 vehículos de diseño (tráfico ligero y pesado) y en función de los resultados obtenidos se determinará el tipo de refuerzo más adecuado para el pavimento.
Los resultados se agruparán en base a tres categorías:
• Cantidad de acero de refuerzo o porcentaje de fibra adicionada • Los momentos máximos soportados
• Los esfuerzos de flexión soportados por la losa
Siguiendo la tipología de los formatos, los resultados de estas categorías se agruparán de la siguiente forma:
Tabla 6.13. Formato de presentación de resultados del análisis estructural.
Modelación del sistema estructural
Determinación de las cargas impuestas sobre el
pavimento
Datos de entrada de las diferentes variables
Combinación de las diversas variables de estudio
Resultados del software, revisión y comparación de su comportamiento con el
diseño del PCA
Modelo Tipo de refuerzo Area de acero (cm2) Momento máximo (Ton-m) Esfuerzo máximo fibra (Kg/cm2) Esfuerzo máximo concreto (Kg/cm2) Esfuerzo máximo acero (Kg/cm2) Esfuerzo máximo total (Kg/cm2) 1 2 3 1 2 3
Losas reforzadas con acero
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De los resultados obtenidos se pretende evaluar el comportamiento de los pavimentos, para posteriormente correlacionar las variables y determinar la factibilidad de uso de las fibras PP en lugar de la malla electrosolada.
La Tabla 6.13 presenta la organización de los resultados obtenidos de los modelos de simulación. En el anexo 6 se adjunta la corrida del programa con los valores de diseño para cada uno de los modelos de simulación elaborados.
6.13.7. Proceso de revisión del análisis estructural
Es un compromiso obligado de toda investigación cumplir con el procedimiento de revisión con la finalidad de garantizar la credibilidad de los resultados que se obtengan en el estudio.
La primera parte de la revisión del análisis estructural del pavimento se llevará a cabo en dos fases: revisión por un estructurista experto y la calibración de valores por medio de un diseño elaborado con el método del PCA. El objetivo de la revisión del análisis estructural será identificar algún posible error de consideraciones de diseño, aspecto que podría disminuir la validez de los resultados del modelo de simulación.
• Primera fase: Revisión por un estructurista experto
Se requerirá la participación del estructurista con el fin de garantizar un procedimiento homogéneo en la revisión, para lo cual se le proporcionará una copia de la investigación realizada hasta el momento.
Cuadro 6.3 Aspectos a considerar en la revisión de la investigación.
-Contenido
¿Es necesaria esta consideración de diseño? ¿Se requiere afinar más el modelo?
¿Se adapta el modelo a los requerimientos portuarios?
-Redacción
¿Se podría expresar de un modo más claro? ¿Cómo? ¿ Pueden los resultados tener varias interpretaciones? ¿Presenta algún prejuicio el análisis?
-Contenido
¿La redacción se adapta al nivel de comprensión del sector al que se dirije la investigación?
¿Pueden influir los factores ambientales más agresivamente de lo que se han considerado?
¿Está lo suficientemente delimitada la investigación, en cuanto al lugar?
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En esta primera fase de revisión del análisis estructural, supondrá la modificación en función de las correcciones y sugerencias aportadas por el especialista.
• Segunda fase: Calibración del modelo de simulación
La segunda revisión del análisis estructural se efectuará a partir del diseño preliminar de un pavimento mediante el método tradicional del PCA. Los resultados se compararán con el modelo de simulación, con la finalidad de validar el modelo y ajustarlo a la realidad.
Figura 6.12. Proceso de elaboración del modelo de simulación.
El objetivo principal de esta fase es comprobar si los resultados del programa se encuentran dentro de parámetros normales de diseño, así como también realizar una revisión de la redacción y la terminología empleada en función del colectivo estudiado.
Esta información, complementada con los resultados estadísticos adquiridos de los ensayos del concreto en el laboratorio de materiales, servirá para realizar las últimas correcciones y modificaciones. La revisión final del avance de la investigación se realizará en conjunto con el director de tesis, dando por concluido el proceso de revisión de esta parte de la investigación.
En la Figura 6.12 se presenta un esquema resumen que intenta sintetizar el proceso de revisión de la investigación.
Revisión final conjunta con el director de tesis
Observaciones