M-9 Pruebas de Carga

Presentación ¿Un nuevo texto sobre pruebas de carga? pasado de moda?

¿No es algo ya

Si al hojear la monografía que está en sus manos, estimado lector, ha llegado hasta estas líneas de presentación, espero que su lectura le proporcione respuesta a las preguntas del encabezamiento, le explique suficientemente el nada despreciable interés que siguen presentando las pruebas de carga y, consecuentemente, le anime a continuar con la lectura del texto completo. Históricamente, como se señala en la Introducción, la prueba de carga surgió como un ensayo, previo a la puesta en servicio de una obra, cuya finalidad era comprobar experimentalmente que la estructura soportaba las cargas máximas previstas en condiciones adecuadas de seguridad. En España, en la actualidad, se mantiene la obligatoriedad de realización de pruebas de carga de recepción de puentes de carretera y ferrocarril, en parte como herencia de esa actividad histórica. Esta obligatoriedad de las pruebas de recepción es, sin duda, un tema polémico. Se puede considerar que las razones históricas que impulsaron esa realización sistemática de pruebas de carga como comprobación de la seguridad de una estructura, previa a su puesta en servicio, están en gran medida superadas. De hecho las pruebas reglamentarias actuales han perdido un tanto ese carácter histórico de comprobación experimental de que la estructura soportaba las cargas máximas previstas, al establecerse limitaciones de la carga de ensayo, para lograr que los esfuerzos alcanzados no superen un porcentaje, en torno a los 2/3, de los máximos que originaría el correspondiente tren de la Instrucción de Acciones. ¿Cuál es, entonces, la utilidad de esas pruebas de carga obligatorias? Resulta claro que, en la actualidad, la seguridad de las estructuras construidas queda casi totalmente garantizada por la aplicación de métodos de diseño y análisis contrastados y sistemas de aseguramiento de la calidad en todas las etapas de su gestación, desde el proyecto hasta los remates finales de su construcción, lo que haría, en principio, innecesarias este tipo de pruebas. Se preguntará, amigo lector, qué razones impulsan a quien esto escribe a matizar la frase anterior con términos tan poco científicos como casi o en principio. Partiendo de la inexistencia de la seguridad absoluta, más de 30 años de relación directa o indirecta con pruebas de carga de todo tipo, me permiten afirmar que, aunque lógica y afortunadamente en pocos casos, sí existen ocasiones en las que la realización cuidada de una prueba de carga, sirve para identificar problemas o irregularidades en el comportamiento de la estructura ensayada que, de no corregirse, comprometerían su durabilidad o incluso su propia seguridad. Casos como el de un puente de vigas pretensadas prefabricadas con longitudes de cables no adherentes excesivas en los extremos; o el de otro puente urbano cuya prueba hubo de suspenderse ante la seria sospecha, posteriormente confirmada, de un error, dada la magnitud de las flechas medidas y la falta de estabilización

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Presentación de las mismas; o el de la detección del arrastre de unos apoyos de neopreno como consecuencia de la fuerte pendiente longitudinal y de una defectuosa colocación de los mismos; o el de la constatación de que el comportamiento experimental de un tablero construido a partir de elementos prefabricados según un determinado sistema constructivo, no se correspondía con la continuidad estructural supuestamente alcanzada; o …tantos otros acumulados a lo largo del tiempo. Detectado el problema, ya fuera de proyecto, de materiales o de ejecución, que había pasado inadvertido hasta que la prueba fue realizada, su remedio exigió, en cada caso, medidas de muy diverso tipo, desde revisión y modificación del proyecto con la consiguiente rectificación en obra, hasta el refuerzo de la estructura con pretensado exterior o el levantamiento del tablero y recolocación de apoyos, etc. Aunque se tratase de casos en que la seguridad no estaba comprometida, la adopción de medidas correctoras a tiempo resulta siempre más eficaz y menos costosa que la posible reparación que, a plazo más o menos corto, hubiera sido necesaria cuando los problemas se hubieran detectado. En mi opinión, por tanto, las pruebas de carga, reglamentarias o no, mantienen su vigencia, en tanto en cuanto constituyen una fuente de información complementaria, cuya utilidad deriva, fundamentalmente, de las conclusiones que puedan extraerse a través de la comparación de sus resultados con los valores previstos por unos métodos analíticos más o menos sofisticados. Teniendo en cuenta todo lo anterior y que el coste de realización de la prueba no es sino una muy pequeña parte del coste de construcción, parece justificado el que, aunque sean pocos los casos en que se detectan anomalías, se mantenga la obligatoriedad de realización de pruebas de carga de recepción en el caso de los puentes de carretera y ferrocarril. Otro caso bien distinto lo constituyen las estructuras ordinarias de edificación, donde el coste relativo de realización de las pruebas altera significativamente el razonamiento anterior, lo que hace que sólo se justifiquen en casos especiales. En este punto de nuestro razonamiento, es importante subrayar que para que la prueba de carga haga realidad sus posibilidades potenciales de ser una fuente de información valiosa, es absolutamente imprescindible que esté bien hecha, es decir, tiene que estar bien proyectada y ejecutada. Se tiene que partir de un proyecto realista, que utilice trenes de carga lo más parecidos posible a los que se vayan a poder materializar en la práctica y que defina claramente las magnitudes a medir y los valores teóricamente esperables. En la ejecución se han de controlar las cargas aplicadas en los distintos escalones y sus posiciones, la situación, fiabilidad y precisión de los aparatos de medida y sólo así se podrán obtener resultados que, por comparación con esos valores teóricos esperables, permitan realmente detectar posibles anomalías. Pero, desgraciadamente, esto es el extremo opuesto a las prácticas, bastante más habituales de lo que sería conveniente, de realizar las pruebas reglamentarias como un "mero trámite" que "hay que pasar" para cumplir con el imperativo reglamentario. Por otra parte, la EHE, en su artículo 99.2, contempla un tercer tipo de pruebas de carga, además de las hasta aquí comentadas: las

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Presentación pruebas de carga para evaluar la capacidad resistente. De hecho, la creación en 1999 del Grupo de Trabajo GT-4/3 que ha redactado el presente texto, obedeció a una idea del entonces Presidente de la Comisión Gestora de ACHE en el proceso de fusión GEHOATEP, para que la Comisión 4 (Uso y mantenimiento) abordara la actualización del Boletín nº 1 del GEHO ("Evaluación de la capacidad portante de estructuras mediante pruebas de carga", publicado en 1988). Sin embargo, tanto la Comisión 4 como el propio Grupo de Trabajo GT-4/3 estuvieron de acuerdo en considerar que la idoneidad de utilizar pruebas de carga, como medio exclusivo para evaluar la capacidad portante de estructuras existentes, resulta bastante discutible y su aplicación debe quedar restringida solo a casos muy concretos y específicos. En esta línea, la presente monografía recoge lo que al respecto indica el citado artículo 99.2 de la EHE, pero enfocándolo fundamentalmente al caso de forjados que es donde más habitualmente se presenta esta necesidad de evaluación. Por otro lado, se matiza, en línea con la exigencia de pruebas cuidadas y realizadas con equipos de medida suficientemente precisos, que el criterio fundamental de aceptación de estas pruebas debe ser el basado en el valor de la flecha remanente al descargar y que, por tanto, el criterio de flecha máxima debe quedar reservado sólo a aquellos casos en los que se constate claramente que la estructura, por ser extraordinariamente rígida, podría ser innecesariamente penalizada por una insuficiente precisión en la determinación de la flecha remanente. En otras palabras, la idea debe ser aplicar siempre el criterio de aceptación de la flecha remanente, independientemente de que se cumpla el de flecha máxima, si la precisión real alcanzada en el ensayo permite confiar en ese valor experimental de la remanencia. En resumen, tanto unos tipos de pruebas como otros, basan su utilidad en una realización cuidada que permita obtener unos resultados precisos, bien para su comparación con los valores teóricos previstos por los modelos de cálculo, bien para el examen de los propios valores experimentales en sí mismos. Confío en que este texto contribuya a mejorar las prácticas habituales en la realización de pruebas y a que todos seamos más exigentes en lo que esperamos de ellas. Quiero, por último, agradecer a todos los miembros del grupo GT4/3 y en especial a su coordinador Rafael Astudillo, el esfuerzo realizado para llevar a buen puerto la preparación de este documento. Asimismo, agradezco sinceramente a Javier León, actual Presidente de la Comisión 4 de ACHE, que me haya concedido la oportunidad de elaborar esta presentación como anterior Presidente de la Comisión, en la etapa en la que este grupo GT4/3 desarrolló sus trabajos.

Luis Mª Ortega Basagoiti Anterior Presidente de la Comisión 4 (1999-2003) Uso y Mantenimiento de Estructuras

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Índice

Grupo de Trabajo 4/3 Pruebas de Carga de Estructuras

Coordinador: Rafael Astudillo Pastor

CEDEX

Miembros: Gonzalo Arias Hofman Javier Cortezo García Juan García Cabañas Juan Carlos Garrido Baró Mariano Garzo Fernández Antonio Madrid Ramos Carlos Moreno Blanes

GEOCISA TIFSA CEDEX - Laboratorio Central INTEMAC CEDEX - Laboratorio Central PROES IIC

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Índice PRESENTACIÓN.......................................................................................................3 GRUPO DE TRABAJO.............................................................................................7 ÍNDICE.......................................................................................................................9 1.

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................13

2. 2.1. 2.2.

GENERALIDADES....................................................................................................15 OBJETO DE LAS PRUEBAS DE CARGA ................................................................15 TIPOLOGÍA DE LAS PRUEBAS DE CARGA ............................................................15

3.

PRUEBAS DE CARGA DE PUENTES DE CARRETERA.......................................17

3.1.

INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES....................................................................17

3.1.1. 3.1.2.

OBJETO DEL ENSAYO...................................................................................................... 17 CAMPO DE APLICACIÓN. OBLIGATORIEDAD.......................................................................17

3.2.

PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA DE CARGA......................................................18 PROYECTO DE LA PRUEBA...............................................................................................18 ACCIONES A APLICAR.......................................................................................................20 Estados de carga.................................................................................................................20 Zonas de aplicación de la carga.............................................................................................20 Materialización del tren de cargas..........................................................................................21 SISTEMA DE MEDIDA.........................................................................................................21 Magnitudes a medir..............................................................................................................21 Aparatos de medida............................................................................................................ 22 CIRCUNSTANCIAS DE LA PRUEBA......................................................................................22 Fecha de realización ...........................................................................................................22 Inspección de la obra...........................................................................................................23 Nivelación de la obra...........................................................................................................24 Elementos auxiliares............................................................................................................24 REALIZACIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA............................................................24 ACTUACIONES PREVIAS....................................................................................................24 Tren de cargas....................................................................................................................24 Instrumentación..........................................................................................................25 APLICACIÓN DEL TREN DE CARGA.....................................................................................25 Forma de aplicación de las cargas..........................................................................................25 Duración de la aplicación de las cargas. Criterios de estabilización..............................................26 Remanencias......................................................................................................................29 Criterios de aceptación .......................................................................................................30

3.2.1. 3.2.2. 3.2.2.1. 3.2.2.2. 3.2.2.3. 3.2.3. 3.2.3.1. 3.2.3.2. 3.2.4. 3.2.4.1. 3.2.4.2. 3.2.4.3. 3.2.4.4.

3.3. 3.3.1. 3.3.1.1. 3.3.1.2 3.3.2. 3.3.2.1. 3.3.2.2. 3.3.2.3. 3.3.2.4.

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3.4. 3.5. 3.6. 3.7.

INFORME PRUEBAS PRUEBAS EFECTOS

4.

PRUEBAS DE CARGA DE PUENTES FERROVIARIOS DE HORMIGÓN....................37

4.1. 4.2. 4.3.

4.8.1. 4.8.2. 4.8.3.

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................37 CAMPO DE APLICACIÓN Y OBLIGATORIEDAD....................................................37 PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA.........................................................................38 PROYECTO DE LA PRUEBA................................................................................................38 ACCIONES A APLICAR........................................................................................................39 SISTEMA DE MEDIDA .......................................................................................................41 CIRCUNSTANCIAS DE LA PRUEBA.....................................................................................42 REALIZACIÓN DE LA PRUEBA...............................................................................42 ACCIONES PREVIAS ........................................................................................................42 MATERIALIZACIÓN DEL TREN DE CARGA ..........................................................................43 POSICIÓN DEL TREN DE CARGA .......................................................................................45 APLICACIÓN DEL TREN DE CARGA ...................................................................................45 ANÁLISIS DE RESULTADOS ...................................................................................45 COMPROBACIONES .........................................................................................................45 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN ............................................................................................46 INFORME DE LA PRUEBA....................................................................................... 46 PRUEBAS DE CARGA SIMPLIFICADAS .................................................................47 ENSAYOS DINÁMICOS ...........................................................................................48 CONDICIONES DE EJECUCIÓN .........................................................................................48 EXCITACIÓN DE LA ESTRUCTURA ....................................................................................49 ANÁLISIS DE RESULTADOS...............................................................................................49

5.

PRUEBAS DE CARGA DE PUENTES FERROVIARIOS METÁLICOS.........................53

5.1. 5.2. 5.3. 5.4.

INTRODUCCIÓN .....................................................................................................53 OBLIGATORIEDAD. NORMATIVA DE ENSAYO .....................................................53 TIPOLOGÍA DE LOS ENSAYOS...............................................................................56 PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA ........................................................................56 ACTUACIONES PRELIMINARES ........................................................................................56 CÁLCULOS TEÓRICOS Y DEFINICIÓN DE LA PRUEBA.........................................................57 INSTRUMENTACIÓN .........................................................................................................59 PROYECTO DE PRUEBA DE CARGA ..................................................................................60 REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS .........................................................................60 APLICACIÓN DE LAS CARGAS. CICLOS Y ESCALONES DE CARGA .....................................60 ESTABILIZACIÓN ..............................................................................................................61 REMANENCIAS.................................................................................................................61 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN ............................................................................................61 INFORME DE RESULTADOS ..................................................................................63 EQUIPO TÉCNICO...................................................................................................63

4.3.1. 4.3.2. 4.3.3. 4.3.4.

4.4. 4.4.1. 4.4.2. 4.4.3. 4.4.4.

4.5. 4.5.1. 4.5.2.

4.6. 4.7. 4.8.

5.4.1. 5.4.2. 5.4.3. 5.4.4.

5.5. 5.5.1. 5.5.2. 5.5.3. 5.5.4.

5.6. 5.7.

DE LA PRUEBA.......................................................................................32 COMPLEMENTARIAS...........................................................................33 DE CARGA SIMPLIFICADAS.................................................................33 AMBIENTALES........................................................................................34

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5.8

MODELO DE FICHA DE ACTA DE LA PRUEBA............................................................65

6.

PRUEBAS DE CARGA DE FORJADOS.......................................................................67

6.1 6.2 6.3. 6.4. 6.5.

6.7.

INTRODUCCION............................................................................................................67 OBJETO DEL ENSAYO..................................................................................................67 CAMPO DE APLICACIÓN..............................................................................................67 LIMITACIONES..............................................................................................................68 PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA...............................................................................68 PROYECTO DE LA PRUEBA DE CARGA..................................................................68 CARGA DE ENSAYO A APLICAR.........................................................................................69 SISTEMA DE MEDIDA........................................................................................................70 Magnitudes a medir...........................................................................................................70 Aparatos de medida...........................................................................................................70 Elementos de seguridad.....................................................................................................71 REALIZACIÓN DE LA PRUEBA.....................................................................................71 ACTUACIONES PREVIAS..................................................................................................72 MATERIALIZACIÓN DE LA CARGA......................................................................................72 APLICACIÓN DE LAS CARGAS..........................................................................................73 ANÁLISIS DE RESULTADOS.............................................................................................74 Criterios de aceptación de la prueba....................................................................................74 INFORME DE LA PRUEBA............................................................................................76

7.

INSTRUMENTACIÓN...........................................................................................79

7.1. 7.2. 7.3.

INTRODUCCIÓN..................................................................................................79 MAGNITUDES A MEDIR...............................................................................................79 APARATOS DE MEDIDA. TRANSDUCTORES.............................................................80 MEDIDA DE DEFORMACIONES.................................................................................80 Extensómetros mecánicos...............................................................................................81 Galgas extensométricas.....................................................................................................82 MEDIDA DE DESPLAZAMIENTOS................................................................................85 Métodos ópticos, mecánicos y mixtos...............................................................................85 Transductores de desplazamiento....................................................................................88 MEDIDA DE GIROS...........................................................................................................89 MEDIDA DE ACELERACIONES..........................................................................................89 SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS....................................................................90 ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE TOMA DE DATOS............................................91 RECOGIDA Y TRATAMIENTO DE REGISTROS...................................................................95 SISTEMAS DE TOMA DE DATOS AUTÓNOMOS...................................................................98 SISTEMAS DE REGISTRO.................................................................................................99 MEDIDAS EN ENSAYOS ESTÁTICOS......................................................................100 MEDIDAS EN ENSAYOS DINÁMICOS.......................................................................103

6.5.1. 6.5.2. 6.5.3. 6.5.3.1. 6.5.3.2. 6.5.3.3.

6.6. 6.6.1. 6.6.2. 6.6.3. 6.6.4. 6.6.4.1.

7.3.1. 7.3.1.1. 7.3.1.2. 7.3.2. 7.3.2.1. 7.3.2.2. 7.3.3. 7.3.4

7.4. 7.4.1. 7.4.2 7.4.3. 7.4.4.

7.5. 7.6.

EJEMPLOS DE PRUEBA DE CARGA DE PUENTES............................................105 EJEMPLOS DE PRUEBA DE CARGA DE FORJADO DE EDIFICACIÓN.................137

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1. Introducción La comprobación cualitativa o cuantitativa del comportamiento resistente de una estructura mediante la experimentación, consistente en aplicar sobre la misma unas cargas de relativa importancia que simulen las sobrecargas de uso, es una técnica tradicional en la historia de la construcción. En épocas todavía no demasiado lejanas, la limitación de los métodos de cálculo y el imperfecto conocimiento de los materiales hicieron de la prueba de carga un método común de comprobación global de la seguridad de las obras. Históricamente, aunque existe poca documentación sobre ello, es lógico suponer que los constructores de la antigüedad comprobarían la bondad de aquellas estructuras que, aun utilizando materiales tradicionales, supusieran una singularidad por sus dimensiones o formas, particularmente en el caso de los puentes y las bóvedas. En el siglo XIX y comienzos del XX, como consecuencia de algunos colapsos de puentes y, especialmente, tras la aparición del hormigón como nuevo material de construcción, se instituyó de forma rutinaria la metodología de la prueba de carga como ensayo previo a la puesta en servicio de una obra. El avance en el conocimiento de las propiedades de los materiales de construcción, singularmente del hormigón, y de los métodos de análisis estructural ha ido restando incertidumbre al conocimiento de la seguridad de una estructura. Como consecuencia de ello, hoy en día, una obra diseñada y calculada de acuerdo con unos métodos contrastados, que frecuentemente están establecidos de forma reglamentaria, y construida con los debidos controles que aseguren la calidad de su ejecución, ofrecería, en principio, garantías suficientes para que no fuera preciso ningún tipo de comprobación experimental de su capacidad resistente previa a su puesta en servicio. De hecho, la realización de la más común de las pruebas de carga, la prueba de recepción, ha desaparecido como ensayo obligatorio en la mayoría de los países con alto desarrollo técnico. En el ámbito europeo (aunque no se dispone de información de todos los países, sí de la mayoría de ellos), para el caso de los puentes de carretera, la prueba de carga de recepción de obra nueva es solamente obligatoria en los países del sur de Europa: Portugal, España, Francia e Italia). En España, la prueba de carga de recepción sigue siendo obligatoria, como se describirá en este documento, en el caso de puentes de carretera y de ferrocarril. Por otro lado, en el caso del hormigón, las nuevas teorías e Instrucciones de cálculo

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(en lo que a España atañe, la Instrucción EHE [1] fundamentalmente), permiten el cálculo de elementos estructurales de forma que pueda llegar a aparecer fisuración bajo ciertas combinaciones de las sobrecargas de uso. En esta situación una prueba de carga de recepción de una estructura nueva podría llegar a producir innecesariamente un estado de fisuración que, sin menoscabo de la seguridad de la obra, supusiera un potencial riesgo para la durabilidad de la misma. Como consecuencia de ello, se ha ido reduciendo la carga máxima recomendada en los ensayos de recepción. Así, en las últimas “Recomendaciones para la Realización de Pruebas de Carga en Puentes de Carretera” del Ministerio de Fomento, se limita la carga de ensayo de forma que se alcancen esfuerzos del orden del 60% de los que produciría el tren de la Instrucción de Acciones, sin sobrepasar nunca el 70%, mientras que en las ediciones anteriores de dichas recomendaciones (1973 y 1988) se aconsejaba que los esfuerzos alcanzados fueran del 70 al 80%. Años atrás una opción corriente era la metodología de evaluación de la capacidad resistente de estructuras en uso por la vía exclusivamente experimental. El documento 437R-67 (Revisión de 1982) del ACI [2] y el Boletín nº 1 del GEHO [3] consideran esta metodología. El hecho cierto, al menos en lo que respecta al documento español, es que rara vez se ha utilizado en la práctica, fundamentalmente por la carestía de realización, por la dificultad de establecer con rigor ciertos parámetros necesarios para evaluar el resultado de la prueba (deformaciones o remanencias límites admisibles, por ejemplo) y por la posibilidad de dañar la estructura en el proceso de ensayo. Lo habitual en la actualidad es utilizar métodos analíticos más o menos sofisticados previo un detallado proceso de auscultación de la estructura, obteniendo información precisa de sus dimensiones, sus secciones resistentes y de las propiedades mecánicas de sus materiales en la situación real de degradación que pudieran tener. La prueba de carga, en caso de ser necesaria, se realizaría para calibración del modelo analítico utilizado o para comprobar comportamientos muy específicos (reparto de esfuerzos o transmisión de cargas, por ejemplo). En el presente documento se ha pretendido recoger de forma detallada el proceso de preparación, realización e interpretación de las pruebas de carga. Para puentes de carretera y puentes de ferrocarril de hormigón se ha considerado como tipología base de prueba de carga la de recepción de obra nueva, por ser la más regulada en la reglamentación y la más usual para dichas estructuras, pero la mayor parte de lo que se describe de ellas, en cuanto a la metodología, es directamente aplicable a cualquier otro tipo de pruebas de carga. En el caso de los puentes de ferrocarril metálicos, especialmente los de celosía, se ha considerado la prueba de carga periódica para seguimiento del estado de la estructura como el ensayo tipo. El presente documento se refiere fundamentalmente a las pruebas de carga estáticas, aunque en el caso de puentes de ferrocarril se describen someramente los aspectos principales de la realización de ensayos dinámicos sobre este tipo de estructuras. Las pasarelas peatonales, por sus características singulares, quedan también fuera del alcance de este documento

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2. Generalidades 2.1. OBJETO DE LAS PRUEBAS DE CARGA El objeto general de una prueba de carga de una estructura es la comprobación del comportamiento de la misma frente a unas acciones determinadas, generalmente constituidas mediante la colocación sobre la estructura de unas cargas perfectamente conocidas en posición y magnitud. En algunos casos, como en los ensayos de recepción, la importancia de la magnitud de las cargas permitirá establecer deducciones sobre la capacidad resistente de la estructura y la ausencia de defectos ocultos. En otros, las cargas alcanzarán simplemente la magnitud necesaria para, mediante la medida y análisis de la respuesta, obtener datos sobre ciertos aspectos específicos del comportamiento estructural, calibrar un modelo teórico, etc. 2.2. TIPOLOGÍA DE LAS PRUEBAS DE CARGA Fundamentalmente se pueden considerar tres tipos de ensayo de prueba de carga: •

Prueba de carga de recepción de obra nueva

•

Prueba de carga de evaluación de la capacidad portante

•

Ensayos de investigación mediante pruebas de carga

Prueba de carga de recepción El objeto de una prueba de carga de recepción es comprobar, antes de la puesta en servicio de una estructura, que la misma se comporta adecuadamente frente a una serie de estados de carga que por su disposición y magnitud representarían situaciones especialmente desfavorables de las sobrecargas de uso. El ensayo permitiría la constatación experimental de que tanto el proyecto como la ejecución de la obra no contienen defectos que repercutan inicialmente en la seguridad de la misma. Prueba de carga de evaluación de la capacidad portante La prueba de carga para evaluación de la capacidad portante es un ensayo que se suele realizar sobre una estructura para determinar el nivel de carga admisible dentro de unas condiciones específicas de seguridad y funcionalidad de la obra y que se engloba dentro de un proceso más general, que incluye otras muchas actuaciones, como el análisis detallado del proyecto, la caracterización de los materiales en cuanto a sus propiedades mecánicas, la determinación de las patologías que afec-

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tan a aspectos resistentes, la medida y determinación real de las secciones resistentes, etc. Constituyen un tipo muy especial de ensayos, planteados a medida de cada caso concreto, con unos requisitos de instrumentación mucho más exigentes y específicos y con unos especiales condicionantes de seguridad durante la realización de la prueba. Muchos de los aspectos, especialmente en lo que se refiere a realización de los ensayos, que se recogen en el presente documento son, por supuesto, válidos también para las pruebas de carga de evaluación, aunque otros, como aquellos relacionados con los criterios de aceptación de la prueba, criterios de remanencias, aspectos formales relativos a la obligatoriedad del ensayo de recepción y su tratamiento administrativo, etc. no serían pertinentes en los ensayos de evaluación. Ensayos de investigación En algunos casos se realizan ensayos de carga en las estructuras, y entre ellas en los puentes, con una finalidad distinta de las anteriores. En ocasiones se trata de obtener información adicional del comportamiento de la estructura, especialmente cuando ésta es singular, ya sea por sus dimensiones, solución estructural, proceso constructivo o por los materiales utilizados. En dichos casos, tanto los trenes de carga como las magnitudes a medir serán consecuencia de lo que en cada caso específico se quiera investigar. Un ejemplo es la obtención de líneas de influencia experimentales de esfuerzos, movimientos o deformaciones. Otras veces el ensayo se plantea como un experimento que permita mejorar el conocimiento de un determinado aspecto estructural. Ejemplo clásico son los ensayos a rotura de tableros de puente o de obras de fábrica. La instrumentación en estos casos suele ser sofisticada y adecuada al seguimiento de la estructura desde el final de su comportamiento elástico hasta la rotura de la misma. Otro grupo de ensayos de investigación lo constituyen los ensayos dinámicos encaminados a tratar de relacionar las variaciones de los parámetros relativos a la respuesta dinámica de una estructura con el estado de daño en la misma.

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3. Pruebas de carga de puentes de carretera 3.1 INTRODUCCIÓN Y GENERALIDADES En este apartado se incluyen todos los aspectos relacionados con las pruebas de carga de puentes de carretera. Mientras no se indique lo contrario el tema estará referido siempre a las pruebas de carga de recepción de obra nueva, ensayos estos que constituyen la inmensa mayoría de las pruebas de carga de puentes de carretera que se realizan en España. No obstante, salvando algunos aspectos del planteamiento de la prueba y de la interpretación de resultados, el resto de lo que aquí se dice es totalmente aplicable a otros tipos de pruebas de carga, sean para evaluación estructural o, en algún caso especial, ensayos de investigación. 3.1.1 OBJETO DEL ENSAYO El objeto de una prueba de carga de recepción es comprobar, antes de la puesta en servicio de un puente, que la estructura se comporta adecuadamente frente a una serie de estados de carga que por su disposición y magnitud representarían situaciones especialmente desfavorables de las sobrecargas de uso. El ensayo permitiría la constatación experimental, con un elevado nivel de fiabilidad, de que tanto el proyecto como la ejecución de la obra no contienen defectos que repercutan inicialmente en la seguridad de la misma. 3.1.2 CAMPO DE APLICACIÓN. OBLIGATORIEDAD Campo de aplicación El contenido de esta parte del presente documento es de aplicación a obras de paso de carreteras (puentes, viaductos, pontones, etc.) y pasarelas. Se excluyen los casos singulares tales como puentes funcionalmente mixtos: de carretera y ferrocarril, de acueducto y carretera, etc. Las pruebas de carga a realizar tras la ejecución de obras importantes de reforma o refuerzo de la estructura, pueden considerarse como si de una obra nueva se tratara. No se considera, sin embargo, objeto de este documento la comprobación de elementos estructurales aislados, tales como pilotes, vigas prefabricadas, etc, consideradas como unidades parciales de la estructura global. Las pruebas que podrían llamarse de recepción de tales elementos o unidades estructurales corresponden a ensayos de control a realizar antes o después de la ejecución de las obras, aunque a veces un comportamiento distinto al supuesto para tales elementos sea detectado en las pruebas de carga.

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Hay que indicar que, siendo la prueba de carga un ensayo en el que se trata de obtener información del comportamiento de una estructura mediante la medida de la respuesta de la misma frente a unas acciones perfectamente conocidas, no tiene mucho sentido su realización sobre estructuras en las que, no predominando el trabajo a flexión, la respuesta es de una magnitud lo suficientemente pequeña como para ser difícil su medida y, consecuentemente, presenta dificultad el establecer conclusiones claras del ensayo. Un ejemplo típico de esta circunstancia lo constituirían los puentes de fábrica en arco. Obligatoriedad En el caso de puentes nuevos la prueba de carga estática es preceptiva, según la vigente “Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera” (IAP)[4], que establece en su capítulo 5 lo siguiente: Todo puente proyectado de acuerdo con la presente Instrucción deberá ser sometido a pruebas de carga antes de su puesta en servicio, de acuerdo con lo indicado en el preceptivo anejo que sobre la materia incluirá todo proyecto aprobado por la Dirección General de Carreteras. Tales pruebas podrán ser estáticas o dinámicas. Las primeras serán siempre obligatorias; las segundas lo serán en aquellas estructuras en las que sea necesario verificar que las vibraciones que se puedan producir no afectarán a la funcionalidad de la obra. Las “Recomendaciones para la realización de pruebas de carga en puentes de carretera”[5] (RPC) establecen que las pruebas serán obligatorias en aquellas obras de paso en las que algún vano tenga luces a partir de 12m, dejando a juicio del Director de Obra y del Proyecto la necesidad o no de ensayar obras con menores luces. Dirección de las pruebas de carga Las pruebas de carga deben realizarse por personal técnico especializado bajo la dirección de un Ingeniero con experiencia en este tipo de ensayos, que en adelante denominaremos Director de la prueba. Las RPC indican que este Director de la prueba será designado por el Director de Obra. Es recomendable una buena coordinación entre el Proyectista, el Director de Obra y el Director de la prueba para que ésta consiga de la forma más efectiva su finalidad última: comprobar el correcto y seguro comportamiento resistente del puente. Esta colaboración es tanto más importante cuanto más singular es la obra o si hubieran tenido lugar incidencias desfavorables durante la fase de construcción. 3.2. PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA DE CARGA 3.2.1. PROYECTO DE LA PRUEBA El proyecto de la prueba de carga, tal como se indica en las citadas RPC, se incluirá, obligatoriamente, en el Proyecto de la obra, correspondiendo, por tanto, su redacción al autor de dicho Proyecto. Solo en el caso de que no existiera dicho proyecto de la prueba, y no fuera posible su redacción por el autor del proyecto de la obra, deberá ser realizado por un ingeniero cualificado para ello por encargo de la Dirección de Obra.

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El documento consta de las siguientes partes: Memoria En ella se describe con detalle la prueba de carga a realizar, incluyendo aspectos tales como: los elementos a controlar en la misma, los trenes de cargas que se han de utilizar y el porcentaje que suponen de los esfuerzos de proyecto, las distintas fases de que constará el ensayo, los estados de carga, los puntos de medida correspondientes, etc. En caso de considerarse necesario, deben describirse los medios auxiliares precisos para la inspección de la estructura y para la colocación y control de los aparatos de medida. Se determinarán, asimismo, a partir del tren o trenes de cargas definidos en el proyecto de la prueba, los valores previstos de las magnitudes a medir, las tolerancias admisibles y los criterios de aceptación de los resultados de la prueba, incluyendo aspectos como la fisuración admisible. Planos Se deben incluir los croquis y planos necesarios para definir en detalle los distintos estados de carga y la posición de todos los aparatos de medida. Se deben incluir también croquis de los vehículos tipo considerados por el proyectista para la materialización de los trenes de carga. Pliego de prescripciones técnicas particulares Se incluirán las especificaciones a tener en cuenta en la realización de las pruebas, y se determinarán la precisión y rango mínimo que deban tener los aparatos de medida que vayan a utilizarse, así como los valores de los parámetros a tener en cuenta en los distintos criterios de aceptación de los resultados. Se incluirán también los conceptos que comprendan el abono de las partidas y unidades detalladas en el presupuesto. Presupuesto El Presupuesto de la prueba de carga podrá realizarse: a) Por partida alzada de abono íntegro al contratista (y que como tal deberá figurar como precio en el cuadro de precios). En ella se incluirán: andamiajes, medios auxiliares, puntos de medida, bases de nivelación y cuantas obras sean necesarias para la realización de la prueba de carga, así como la dotación de los vehículos necesarios para la materialización de los distintos estados de carga y el personal, tanto del equipo técnico especializado encargado de la realización de la misma como del personal de apoyo. b) Por partida alzada a justificar mediante precios unitarios. Estos precios unitarios, que deberán figurar como tales en los cuadros de precios correspondientes, serán, entre otros:

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- Tren de carga / día - Equipo de ensayo / día - Medios auxiliares Se incluirán en el equipo de ensayo los gastos de personal, gastos de viaje, dietas, amortización de aparatos, material fungible, etc. Los puntos anteriores se incluirán en los propios documentos del Proyecto de la obra y formando parte de los mismos. 3.2.2. ACCIONES A APLICAR 3.2.2.1 Estados de carga En el Proyecto de la prueba de carga de recepción, el proyectista debe considerar aquellas disposiciones del tren de cargas de la IAP que producen las solicitaciones más desfavorables sobre la estructura. Esto dará lugar a una serie de estados de carga que en la práctica consistirán en la colocación de sobrecargas (habitualmente constituidas mediante trenes de camiones) en distintas zonas de la estructura y que producirán los efectos más desfavorables en zonas críticas de la estructura: por ejemplo, flexión positiva en centros de cada vano, flexión negativa en zona de apoyos, torsión en determinadas secciones, etc. En ningún caso las solicitaciones a que dé lugar el tren de cargas real aplicado podrán ser superiores a los valores que teóricamente produciría la aplicación del tren de cargas de cálculo (sobrecargas) definido en la IAP (sin aplicar coeficientes de mayoración). Las Recomendaciones RPC establecen que no se supere el 70% de dichos esfuerzos sin mayorar y aconsejan operar en torno al 60%. Hay que tener en cuenta que el límite de la carga aplicada sobre la estructura es siempre convencional y que debe estar entre un umbral mínimo, que posibilite una respuesta clara de la estructura haciendo entrar en un nivel satisfactorio de trabajo a los elementos estructurales más importantes, así como a los elementos de equipamiento (apoyos, juntas), y un nivel máximo de solicitación que no dañe innecesariamente ningún elemento estructural. Como regla general, en el caso de vanos simplemente apoyados se cargará todo el vano para producir el estado de flexión máxima en el centro de la luz. En puentes continuos se cargarán combinaciones de vanos contiguos y alternos para provocar esfuerzos máximos en el tablero en zonas críticas del interior del vano frecuentemente el centro y en la zona de pilas. 3.2.2.2 Zonas de aplicación de la carga Como norma general, la sobrecarga que sustituye al tren de la Instrucción se aplicará solamente en la calzada y arcenes, sin que sea necesario someter a prueba las aceras. Sin embargo, en aquellos casos en que se desee ensayar también las aceras, estando éstas en voladizo, dicha prueba podrá realizarse cargando únicamente una zona de longitud igual al triple del ancho de la misma con una sobrecarga de 4 kN/m2. En todo caso, y con objeto de acelerar el proceso de carga y descarga, podrá sustituirse dicha sobrecarga uniforme por cargas puntuales, empleando elementos del peso apropiado para producir estados de solicitación análogos.

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3.2.2.3 Materialización del tren de cargas En el caso de puentes, dada la dificultad práctica de materializar el tren de cargas de la Instrucción, normalmente se utiliza un tren de carga constituido por camiones u otros vehículos análogos, que deberán ser lo más parecidos entre sí en cuanto a forma, peso y dimensiones. Su número y características serán los necesarios para adaptarse a los distintos estados de carga definidos en el proyecto de la prueba. Normalmente los vehículos de carga se distribuyen uniformemente en el ancho de la calzada (carriles + arcenes), si bien, a efectos de comprobación del comportamiento a torsión del tablero, pueden existir estados de carga en los que ésta se distribuya únicamente en la mitad izquierda o derecha de la calzada. Al objeto de facilitar la realización del ensayo, especialmente en lo que se refiere al movimiento y proceso de colocación de los camiones, es recomendable que el proyecto de la prueba se realice con los camiones dispuestos todos ellos en un mismo sentido de avance y con distancias entre ellos, tanto longitudinal como transversalmente, que permitan el acceso de conductores y personal que realiza la prueba. En el caso de puentes pequeños puede interesar, no obstante, la aplicación de estados de carga simétricos, lo que implicaría la colocación de los vehículos de carga enfrentados por sus partes delanteras o traseras. El esquema de la figura 3.1 muestra dimensiones típicas de camiones.

Figura 3.1. Dimensiones aproximadas de vehículos utilizados en pruebas de carga

3.2.3. SISTEMA DE MEDIDA 3.2.3.1. Magnitudes a medir Las magnitudes a medir deberán estar especificadas en el proyecto de la prueba, y serán aquéllas que permitan deducir el correcto comportamiento de la obra frente a las

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solicitaciones producidas por los trenes de carga utilizados en los ensayos. Asimismo, el proyectista fijará los puntos de la estructura en los que deban medirse las magnitudes correspondientes. En general, las magnitudes que pueden medirse en pruebas de carga estáticas son las siguientes: • • • •

Desplazamientos verticales (flechas) Desplazamientos horizontales Deformaciones unitarias Giros

• • • •

Movimientos en juntas Anchura de fisuras Temperatura Humedad

En los casos más habituales de pruebas de carga de recepción las medidas se suelen circunscribir a los movimientos verticales en secciones de centro de luz y apoyos. Las RPC admiten no medir descenso de apoyos si los valores previsibles tienen poca importancia comparados con las flechas a alcanzar. En general es preferible prescindir de las medidas en la sección de apoyos cuando el valor previsible del movimiento real de los mismos es del mismo orden, o incluso inferior, a la precisión del sistema de medida en su conjunto (caso de la medida mediante nivelación topográfica). El número de puntos de medida en cada sección dependerá de la tipología estructural y de las dimensiones e importancia de la obra. En puentes de vigas es habitual medir en cada sección en la viga central y en las de borde. En losas o cajones de gran anchura son recomendables al menos dos puntos de medida por sección. La mayor complejidad de la medida de deformaciones y sus limitaciones en el caso del hormigón hace que habitualmente se prescinda de este tipo de medida en ensayos ordinarios. En el caso de puentes metálicos o mixtos de cierta importancia la medida de deformaciones proporciona una valiosa información sobre el comportamiento tensional del puente. 3.2.3.2. Aparatos de medida El capítulo 7 recoge de forma detallada todos los aspectos de la instrumentación. Aquí cabe decir que los aparatos de medida que se utilicen deberán estar sancionados por la experiencia en pruebas similares y deberán garantizar una apreciación mejor del 1% de los valores máximos esperados de las magnitudes a medir. En el caso de estructuras extremadamente rígidas en las que no pueda cumplirse esta condición, podrá elevarse el citado porcentaje, manteniéndose siempre por debajo del 5%. Su rango de medida deberá ser siempre superior en un cierto margen a los valores esperados de dichas magnitudes. 3.2.4 CIRCUNSTANCIAS DE LA PRUEBA 3.2.4.1. Fecha de realización de la prueba La prueba de carga de recepción se realizará antes de la puesta en servicio de la estructura. En el caso de estructuras de hormigón, al objeto de no dañar la estructura ni compro-

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meter la seguridad durante la realización de la prueba, todas las normativas hacen referencia a un plazo por debajo del cual no debe realizarse el ensayo. La RPC española establece que antes de realizar la prueba el hormigón debe haber alcanzado la resistencia característica de proyecto, aunque autoriza al Director de Obra a que considere si el ensayo pudiera realizarse antes, eso sí, tras analizar las posibles consecuencias de este adelanto. Dentro del concepto «hormigón» debe incluirse cualquier unidad resistente a base de cemento, como es el caso de la inyección de los conductos de pretensado. Estas mismas condiciones son aplicables a obras antiguas después de un proceso importante de reforma. En los elementos metálicos no ha lugar a la exigencia de plazos mínimos para la realización de las pruebas. En general, la prueba de carga se realizará después de concluida totalmente la obra. Si por alguna circunstancia fuera necesario realizarla antes de la ejecución de unidades no estructurales que forman parte de la carga permanente, tales como el pavimento, aceras, barandillas, etc., pueden seguirse dos caminos: a) Materializar una carga permanente supletoria equivalente a esas unidades de obra, colocándola, en este caso, con una antelación suficiente para que se produzca la correspondiente estabilización de deformaciones previamente a la realización de la prueba de carga. b) Incrementar la carga de ensayo en la proporción que la ausencia de tales unidades represente. Si el valor de la carga a incrementar no fuera superior a un 2% de la carga permanente, se podría considerar irrelevante y no sería necesario introducir cargas adicionales. 3.2.4.2. Inspección de la obra Antes de realizar una prueba de carga se debe efectuar una inspección de la obra que incluirá, además de la estructura resistente, los aparatos de apoyo, juntas y otros elementos singulares. Esta inspección previa puede dar lugar, en ocasiones, a modificar las condiciones en que la prueba de carga estaba concebida e incluso a desaconsejar la realización de la misma, además de permitir la observación de detalles que pueden ser concluyentes a la hora de interpretar los resultados del ensayo. En las estructuras de hormigón es importante tomar registro del estado de fisuración previo a la aplicación de la carga para su posterior comparación con el correspondiente a la estructura bajo la acción de los esfuerzos aplicados durante el ensayo. Además de la citada inspección inicial, durante la prueba se realizarán controles periódicos de los elementos más característicos de la obra, señalándose los defectos e incidencias que se vayan observando. Es buena práctica volver a realizar una última inspección de la obra al finalizar la prueba de carga.

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3.2.4.3. Nivelación de la obra Aunque la nivelación de la obra durante la prueba de carga no es una actuación estrictamente ligada a este tipo de ensayos, en el caso de puentes con luces superiores a 40 metros, así como en el caso de estructuras con sustentación hiperestática o de estructuras de hormigón en las que se prevea la existencia de deformaciones diferidas de cierta importancia, es norma de buena práctica la realización de una nivelación general de la obra referida a puntos fijos que deberán quedar materializados en el terreno circundante y de cuya situación se debe dejar constancia en el documento o informe de la prueba. Este dato es de importancia dentro de un sistema de gestión de puentes ya que constituiría, junto con la inspección realizada tras la prueba, una fotografía del estado inicial de la estructura al comienzo de su vida útil. 3.2.4.4. Elementos auxiliares Para una correcta inspección de la obra, así como para la colocación y control de los aparatos de medida, serán necesarios, en general, un cierto número de elementos auxiliares. Resulta de la mayor importancia el buen funcionamiento, colocación y nivel de seguridad de dichos elementos. Deberá cuidarse que, en consecuencia con la precisión de las medidas y el detalle de las observaciones que hayan de realizarse, se disponga de accesos adecuados, fáciles y seguros, de plataformas de trabajo rígidas, de medios de protección de la instrumentación contra los agentes atmosféricos, etc., medidas todas ellas encaminadas a la mejor ejecución de los ensayos. 3.3. REALIZACIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA 3.3.1. ACTUACIONES PREVIAS Las pruebas de carga exigen una organización y preparación previa en las que se llegue a los últimos detalles y previsiones, de manera que siguiendo una precisa metodología se obtenga la mayor fiabilidad en los resultados del ensayo y se proceda en todo momento con las adecuadas condiciones de seguridad para las personas, los equipos y la propia obra. 3.3.1.1. Tren de cargas Antes de la prueba se replanteará sobre el pavimento la posición exacta de los camiones durante los diferentes estados de carga. Se deberá disponer, previamente al ensayo, de las características de todos los vehículos, tales como sus dimensiones, pesos por eje y distancias entre dichos ejes. La inclusión en la documentación del ensayo de una copia de la ficha técnica de los vehículos proporciona una completa información de las características de los mismos. Se comprobará mediante pesada en báscula el peso real, total y por eje, de cada uno de los vehículos o elementos de carga, recomendándose que estos pesos se obtengan con una precisión no inferior al 5%. El peso de los vehículos debe mantenerse sensiblemente constante durante el ensayo.

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Habitualmente los camiones disponibles en el momento de la realización del ensayo no son de las mismas características geométricas y de reparto de carga entre los ejes que los correspondientes al proyecto de la prueba. Por ello hay que tomar siempre nota de la exacta posición de las cargas reales y considerar si es precisa la realización de un cálculo más ajustado de la respuesta de la estructura frente al tren de cargas real utilizado. En caso de que el lastre sea material granular que pudiera retener un peso de agua importante y de que existiera riesgo de lluvia, se protegerán las cajas con cubiertas de lona o plástico a fin de no distorsionar de forma importante el peso total del tren de carga. 3.3.1.2. Instrumentación Con suficiente antelación a la realización de la prueba se replanteará la posición de todos los puntos de medida, se proveerá del acceso necesario a los mismos y se instalarán los aparatos de medida. El cableado de los transductores se realizará de forma que no estorbe el movimiento de personas y camiones durante la realización de la prueba y de que su recogida o la reposición de un cable dañado sea sencilla. Es conveniente comprobar el correcto funcionamiento de la instrumentación previamente a la realización del ensayo. En caso de que las variaciones térmicas durante la prueba pudieran tener repercusión importante sobre los valores medidos y de que hubiera que realizar algún tipo de corrección de las medidas para tener en cuenta este efecto, suele ser útil la medida en vacío durante un periodo similar en duración y condiciones climáticas al de la prueba definitiva. La preparación de la prueba incluye también un estudio previo y pormenorizado del proyecto de la misma, que permita prever el comportamiento de la obra durante las distintas fases del ensayo, así como los puntos en los que se producirán los esfuerzos o movimientos más desfavorables y que habrá que observar para evaluar los resultados que se vayan produciendo. 3.3.2. APLICACIÓN DEL TREN DE CARGA 3.3.2.1. Forma de aplicación de las cargas Ciclos de carga Se denomina ciclo de carga a la ejecución completa de uno o varios estados de carga. La práctica habitual en el caso de las pruebas de carga de recepción de puentes es la realización de un solo ciclo de carga, esto es, no se suelen repetir los estados de carga. En el caso de estructuras singulares, en ensayos de evaluación o en estructuras en las que los resultados de la prueba de carga van a servir de base para decisiones posteriores, puede ser recomendable realizar un segundo ciclo que confirme la validez de los valores medidos. Asimismo pudiera ser necesario un ciclo de repetición en el caso de estructuras que pudieran presentar asentamientos o movimientos permanentes tras un primer ciclo importante de carga (caso de posible asentamiento inicial de los aparatos de apoyo, por ejemplo). Es aconsejable la realización de un segundo ciclo de carga cuando se presenten resul-

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tados aparentemente anómalos o cuando en el ensayo de varios vanos similares alguno de ellos presentara resultados diferentes al resto. Escalones de carga Una medida elemental de precaución es que la carga se aplique de forma progresiva en varias fases o escalones, de manera que, mediante la medida simultánea de la respuesta de la estructura en las zonas críticas, se pueda tener conocimiento de que el comportamiento de la misma es correcto y se esté, por tanto, dentro de las condiciones adecuadas de seguridad. Es recomendable aplicar la carga de ensayo en un mínimo de dos escalones, si bien en el caso de puentes con varios vanos iguales o análogos podrán limitarse a uno solo, cuando se vayan ocupando posiciones de carga similares en otros vanos, si el comportamiento en los anteriores ha sido satisfactorio. La descarga se suele realizar en un solo escalón. Los movimientos de los vehículos en cualquier fase del proceso de carga o de descarga se deben efectuar con la suficiente lentitud para no provocar efectos dinámicos no deseados, y se deben organizar de forma que la realización de cualquier estado de carga no produzca sobre otras partes de la estructura solicitaciones superiores a las previstas. 3.3.2.2. Duración de la aplicación de las cargas. Criterios de estabilización El tiempo que se debe mantener la aplicación de la carga ya sea en un escalón intermedio antes de pasar al escalón siguiente, ya sea con la carga completa correspondiente a un cierto estado, viene determinado por el criterio de estabilización de las medidas. Debido al efecto de fluencia o variación en el tiempo de la respuesta en deformaciones o desplazamientos de los materiales al ser sometidos a una carga permanente, todo puente al ser sometido a una carga de ensayo responderá con una deformación instantánea que irá aumentando con el tiempo hasta estabilizarse. En el caso del acero la estabilización es prácticamente inmediata, pero en el hormigón no es así, sino que la estabilización puede llevar un cierto tiempo. La consideración de que la estructura ha estabilizado su respuesta responde a un criterio práctico consistente en que las variaciones de las medidas en lapsos de unos minutos (normalmente 10) son un porcentaje muy pequeño de la deformación total o que dichas variaciones son del orden del límite de precisión de los aparatos de medida. En definitiva los criterios de estabilización, que en todos los casos tienen una base empírica, pretenden comprobar que la variación en el tiempo de la respuesta instantánea tiende a estabilizarse, lo que indica un normal comportamiento de la estructura. Asumiendo lo establecido en la RPC pueden considerarse los criterios de estabilización que se describen seguidamente para la realización de un escalón intermedio o final de un estado de carga. Los valores de la medida de la respuesta de la estructura (flechas, deformaciones,

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giros, etc, según se considere) los denominaremos (fi,t). Estos valores se obtienen en cada momento como diferencia entre las lecturas de los aparatos en ese instante t y las lecturas iniciales en descarga del estado que se está realizando. Una vez colocado en su posición prevista el tren de carga, se realiza una medida de la respuesta instantánea de la estructura (fi,0), y se controlan los aparatos de medida situados en las zonas en que se esperen las deformaciones más desfavorables desde el punto de vista de la estabilización. Criterio 1: Transcurridos 10 minutos se realizará una nueva medida en dichos puntos (fi,10). Si las diferencias entre los nuevos valores de la respuesta y los instantáneos son inferiores al 5% de estos últimos, o bien son del mismo orden de la precisión de los aparatos de medida, se considera estabilizado el proceso de carga y se realiza la lectura final en todos los puntos de medida.

fi,10 - fi,0 < 0,05 fi,0 Criterio 2: En caso contrario, se mantiene la carga durante un nuevo intervalo de 10 minutos, considerándose cumplido el requisito de estabilización si, realizada la medida al final de los mismos (fi,20), la diferencia de medidas correspondiente a este intervalo es inferior al 20% de la diferencia de lecturas correspondiente al intervalo anterior, o bien es del orden de la precisión de los aparatos de medida. fi,20 - fi,10 < 0,2 ( fi,10 - fi,0 ) Criterio 3: Si esto no se cumple se somete la continuación del proceso al juicio del Ingeniero Director de las pruebas, que podría continuar el proceso o descargar la estructura. Alcanzada la estabilización se realizan las lecturas finales en todos los puntos de medida. Una vez descargada totalmente la estructura se espera a que los valores de las medidas estén estabilizados, aplicando el mismo criterio seguido para el proceso de carga. La diferencia entre los valores estabilizados después de la descarga y los iniciales antes de cargar serán los valores remanentes correspondientes al estado considerado. En el caso de que la diferencia entre los valores obtenidos inmediatamente después de la descarga y los obtenidos antes de cargar sea inferior al límite que para cada caso se establece en el apartado de valores remanentes, no sería necesaria la comprobación del criterio de estabilización, y se procedería a la lectura final de todos los aparatos de medida.

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Es aconsejable no iniciar la ejecución de un nuevo ciclo de carga antes de haber transcurrido el tiempo suficiente para la completa recuperación de deformaciones producidas en el ciclo precedente. El proceso general de carga y descarga está detallado en las figuras 3.2 a 3.4. Las figuras 3.2 y 3.3 representan el proceso de deformación con el tiempo, bajo carga constante, en un punto de la estructura durante la realización de un escalón de carga o de descarga. El término deformación en este caso debe entenderse en sentido amplio, es decir, puede referirse a cualquier movimiento absoluto o relativo. La figura 3.4 representa el proceso general de deformación en función de la carga durante la ejecución de un ciclo completo de carga y descarga.

Figura 3.2. Proceso de evolución de medidas en un escalón de carga

Figura 3.3. Proceso de evolución de medidas en un escalón de descarga

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Figura 3.4. Proceso completo de carga / descarga

3.3.2.3 Remanencias Los valores remanentes son las deformaciones, desplazamientos, giros, etc, que se mantienen en la estructura una vez descargada ésta. A título orientativo y a falta de otros criterios, se pueden considerar los siguientes límites para las remanencias : a) Puentes de hormigón armado: 25% si la edad de la obra es inferior a dos meses. 20% si la edad de la obra está entre dos y seis meses. (*) 15% si la edad de la obra es superior a seis meses. b) Puentes de hormigón pretensado o mixtos: 15% si la edad de la obra es igual o inferior a dos meses. (*) 10% si la edad de la obra es superior a dos meses. c) Puentes metálicos: 10% cualquiera que sea la edad de la obra. (*) Estos límites Rlímite están referidos a los valores máximos de las medidas y deberán estimarse y prefijarse en cada caso según el tipo de material y la edad de la obra: R = 100* fremanente / ftotal ≤ Rlímite (*) : Valores indicados en la RPC

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Cuando terminado un ciclo de carga se obtengan valores remanentes R que superen los límites previstos como admisibles, las RPC recomiendan proceder de la forma siguiente:

≤ Rlímite

Si

R

Si

Rlímite

Si

R

≤ R ≤ 2 Rlímite

≥ 2 Rlímite

⇒ Remanencia admisible ⇒ Se repetirá el ciclo de carga ⇒ Se suspenderá la prueba

La RPC establece que, en caso de repetir el ciclo de carga porque la remanencia en el primer ciclo fuera inaceptable, la remanencia en esta repetición no debe ser superior a un tercio de la remanencia en el primer ciclo, debiendo suspenderse la aplicación de la carga en caso contrario. Hay que hacer notar que la adecuada recuperación de la deformación producida bajo la carga de la prueba una vez retirada ésta, es, en general, un buen indicador del correcto funcionamiento de la estructura, muchas veces más fiable que el criterio de comparación de valores medidos con los valores teóricos. Es frecuente que en algunos casos aparezcan valores remanentes altos pero que no suponen haber superado el límite elástico en los elementos estructurales, sino que pueden deberse, entre otras causas, a: •

Deformaciones permanentes iniciales o asentamientos en aparatos de apoyo o tirantes.

•

Efectos térmicos.

Se advierte especialmente, en relación con el segundo aspecto, sobre el hecho de que la aplicación de cargas de larga duración producirá frecuentemente resultados de difícil interpretación. Ello es debido a que la respuesta de la estructura frente a la acción exclusiva de las cargas de ensayo puede verse enmascarada por otros efectos, fundamentalmente, las condiciones climatológicas y ambientales: variaciones térmicas, soleamiento, viento, lluvia, etc., que incidirán no sólo en la magnitud real de los parámetros a medir por su repercusión sobre la deformación de origen térmico en la estructura sino también en la respuesta de los propios aparatos de medida colocados sobre el puente. Es por tanto conveniente, dentro de los márgenes que determinan la realización de una prueba, reducir al mínimo el tiempo de aplicación de las cargas. 3.3.2.4. Criterios de aceptación Además de los criterios específicos ya expuestos, referentes a la estabilización de las medidas y al tratamiento de los valores remanentes, se deben tener en cuenta los criterios generales de aceptación definidos por el Proyectista, quien debe señalar en el Proyecto de la prueba, además de los valores esperados para las medidas, los límites o tolerancias admisibles de los resultados experimentales respecto de dichos valores teóricos, así como los límites o tolerancias respecto de la fisuración aparecida como consecuencia de la prueba. La RPC establece los siguientes criterios:

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a) Los valores de las magnitudes máximas al finalizar el ciclo de carga, medidas después de la estabilización, no debieran superar en más de los siguientes porcentajes a los valores previstos en el proyecto de la prueba: 1. 2. 3. 4.

Puentes Puentes Puentes Puentes

de hormigón pretensado: de hormigón armado: mixtos: metálicos:

10% (EHE) 15% (EHE) 15% 10%

Si los valores medidos fueran anómalamente inferiores a los previstos (inferiores a un 60% de éstos), habrá que justificar esta circunstancia. b) En el caso de puentes de hormigón la abertura de las fisuras deberá cumplir los requisitos establecidos en la EHE para el estado límite de fisuración. c) No deberán aparecer signos de agotamiento de la capacidad portante en ninguna parte de la estructura. Desde el punto de vista experimental los signos a los que se refiere el apartado c) pueden ser, entre otros: •

Colapso total o parcial de alguno de los elementos estructurales.

•

Aparición de tensiones superiores a los límites admisibles, dependientes del tipo de material. A estos efectos, en las estructuras de hormigón, se tendrá en cuenta la variación con el tiempo del módulo de elasticidad.

•

Aparición de deformaciones o desplazamientos de rápido crecimiento sin que la carga aumente o con muy pequeños incrementos de ésta.

El Proyecto puede establecer en determinados casos la anchura máxima de fisura, por lo que resulta de la máxima importancia la observación de la fisuración previa a la prueba de carga. Bajo la acción de las cargas del ensayo, la fisuración debe ser tal que no comprometa la seguridad y durabilidad de la obra. En todo caso, si no se cumplieran los criterios generales de aceptación anteriormente expuestos, el Ingeniero Director de la Prueba debe informar al Director de Obra de tal circunstancia, analizar con él, y si es posible con el proyectista, las posibles causas de la misma y, finalmente, de acuerdo con la importancia de la discrepancia entre los resultados reales y los criterios generales, el propio Director de obra debe establecer el criterio a seguir con base en su conocimiento de la obra y su experiencia profesional. Hay que tener en cuenta que, descartando los casos en que aparezcan indicios de daño estructural, lo más frecuente es que las desviaciones de los valores reales frente a los previstos, tanto en cuanto a valores máximos como en relación con valores de las remanencias superiores a los previstos, suelen ser debidos, tal como se ha comentado con anterioridad, a diferencias entre la rigidez real de la estructura y la considerada

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en los cálculos teóricos (debido fundamentalmente, entre otras causas, a valores distintos en el módulo de elasticidad del hormigón) así como a efectos térmicos durante el ensayo o a mal funcionamiento de los sensores de medida. 3.4. INFORME DE LA PRUEBA En general, el informe de una prueba de carga deberá contener: Antecedentes Se citarán los motivos de la prueba, quién la encarga y quién la realiza. Se hará referencia al autor del proyecto de la prueba. Descripción de la estructura Se describirá someramente la estructura y se incluirán al menos planos de planta y alzado de la misma. Trenes de carga Se describirán, con los planos y esquemas necesarios, los distintos estados de carga, la posición de los camiones y las dimensiones y pesos reales de los vehículos utilizados. Aparatos de medida Se indicarán la posición y características de los aparatos de medida utilizados, especialmente su rango y sensibilidad. Valores medidos Mediante cuadros o sobre esquemas de la estructura se indicarán, para cada estado de carga, los valores de las magnitudes medidas, así como los de los correspondientes valores teóricos. Comportamiento estructural Se describirá el estado general de la obra antes, durante y después de la prueba, especialmente en lo que respecta a la fisuración. Se indicarán las incidencias de todo tipo sucedidas durante el desarrollo de los ensayos. Condiciones ambientales Para cada grupo de lecturas se hará indicación de la temperatura ambiente y de cualquier otra circunstancia ambiental que pudiera tener algún efecto sobre los valores medidos. Fecha Se indicará la fecha y periodo horario de realización del ensayo.

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Acta En las pruebas de carga de recepción realizadas para la Administración del Estado se redacta, tal como se indica en la RPC, un Acta oficial de la prueba. 3.5. PRUEBAS COMPLEMENTARIAS La RPC indica que el Ingeniero Director de la Obra podrá ordenar la realización de pruebas complementarias, si lo estima necesario, cuando haya dudas sobre los resultados obtenidos en las pruebas o sobre la correcta ejecución de alguna parte de las mismas. Dichas pruebas complementarias podrán realizarse también en uno o más elementos de la construcción cuando exista sospecha sobre la calidad o comportamiento de dichos elementos. Este tipo de pruebas no estará, por lo general, previsto en el Proyecto, aunque sí pueden figurar en el mismo algunos de los condicionantes que aconsejen su realización. En cada caso, y según las circunstancias que se presenten, se ejecutarán siguiendo las indicaciones del Director de la Obra y quedarán reflejadas en el Acta de la misma añadiéndolas a las pruebas previstas inicialmente. 3.6. PRUEBAS DE CARGA SIMPLIFICADAS Las RPC contemplan la posibilidad de realizar pruebas simplificadas en el caso de: •

Puentes con varios vanos similares

•

Obras iguales e independientes

En este tipo de pruebas, una vez inspeccionada la obra se la somete a un proceso de carga similar al de las pruebas completas, pero en el que sólo es preciso efectuar medidas en los puntos más característicos, bastando generalmente con la medida de las flechas en el centro de la luz de cada uno de los tramos. Se define en las RPC la simplificación aplicable en el caso de puentes de varios vanos independientes o continuos: •

En los puentes de varios vanos isostáticos: prueba completa en 1 de cada 4 vanos similares o fracción, con un mínimo de 2 vanos.

•

En puentes continuos: prueba completa en los vanos extremos y en 1 de cada 4 vanos interiores o fracción.

En el caso de vanos continuos, se entiende que la prueba completa de un vano incluye los estados de carga que producen la máxima flexión positiva y la máxima negativa. En el Proyecto de la prueba pueden definirse estados de carga sencillos para la ejecución de este tipo de ensayos, eso sí, de forma que todos los vanos se vean sometidos a la acción del tren de carga.

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3.7. EFECTOS AMBIENTALES Normalmente en el transcurso de la prueba se producirá una continua variación de las condiciones ambientales que afectará de dos formas al ensayo: •

Por las deformaciones (y, en el caso de estructuras hiperestáticas, esfuerzos) inducidas en la estructura.

•

Por su influencia sobre los aparatos y sistemas de medida.

Con relación a estos últimos, durante la ejecución de las pruebas deberán protegerse convenientemente de la influencia del medio ambiente y tomar las precauciones necesarias para asegurar la máxima concordancia entre los valores reales y los resultados medidos. Se tomarán los datos relativos a las variaciones que se produzcan durante las pruebas debidas a efectos ambientales. En particular, se anotará periódicamente la temperatura en las zonas que se estime necesario para poder evaluar su influencia sobre los resultados del ensayo, sobre todo en aquellas pruebas en las que, bien por la tipología y materiales de la obra o por los métodos de medida utilizados, los cambios de temperatura e insolación pudieran tener una influencia apreciable en los resultados. Siempre que sea posible, se procurará elegir para las pruebas las horas del día más apropiadas, de forma que las condiciones ambientales influyan lo menos posible sobre el comportamiento de la estructura y del sistema de medida. En cuanto a las deformaciones (y/o tensiones) inducidas en la propia estructura por efecto térmico, se recuerda lo antes indicado en el apartado 3.3.2.3 sobre la duración de las pruebas. Independientemente podrá recurrirse al empleo de sensores-testigo, sometidos al efecto ambiental, pero no al de las cargas de la prueba, para corregir las lecturas obtenidas. Se recuerda que en el caso de estructuras hiperestáticas, si se desea eliminar totalmente el efecto de las variaciones ambientales sobre el conjunto estructura-sistema de medida, será necesario que los citados sensores-testigo estén dispuestos sobre una estructura idéntica a la ensayada y sometida al mismo ambiente (temperatura, soleamiento, viento, etc.) pero no cargada. Por último, y para el conjunto estructura-sistema de medida, se aconseja como norma de buena práctica efectuar uno o más ciclos de medida con la estructura descargada, a fin de comprobar la constancia de los valores obtenidos, la posible influencia sobre las medidas de cualquier tipo de factor externo ajeno a las cargas aplicadas, así como una estimación de la precisión real del sistema de medida, alcanzada en las condiciones de ensayo existentes. Las fotografías de las figuras 3.5 y 3.6 muestran dos aspectos de sendas pruebas de carga en puentes de carretera.

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Figura 3.5. Aspecto de la realización de un estado de carga en un puente de carretera (Cortesía de GEOCISA)

Figura 3.6. Aspecto de la realización de un estado de carga en un puente arco de carretera (Cortesía de GEOCISA)

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4. Pruebas de carga en puentes ferroviarios de hormigón 4.1. INTRODUCCIÓN Dadas las específicas peculiaridades de los ensayos de los puentes de ferrocarril metálicos, junto con las regulaciones que en nuestro país existen para esta tipología de puentes, se ha preferido subdividir el caso de puentes ferroviarios en dos partes, una primera (capítulo 4) referida a los construidos con hormigón armado o pretensado, cuya metodología de ensayo tiene gran similitud con lo ya descrito para puentes de carretera, y una segunda parte (capítulo 5) referida de forma específica a los puentes metálicos. En este capítulo se incluyen todos los aspectos relacionados con las pruebas de carga en puentes de ferrocarril cuyo material principal sea el hormigón armado o pretensado. Gran parte de lo especificado para la realización de puentes de carretera es válido también para este tipo de puentes, por lo que se hará generalmente hincapié en los aspectos específicos referidos al ferrocarril. Así, son asumibles directamente todos los comentarios que para puentes de carretera se han realizado en cuanto al objeto de las pruebas de carga y a la tipología de los ensayos. Al igual que para los puentes de carretera, mientras no se indique lo contrario, este capítulo se referirá a pruebas de carga de recepción de obra nueva, que constituye la inmensa mayoría de los ensayos realizados sobre estas estructuras. Una de las características diferenciales de los ensayos de puentes de ferrocarril es la necesidad de realizar siempre un ensayo dinámico de la estructura, dada la importancia del comportamiento dinámico de estas obras frente a la acción del paso del ferrocarril. Se hará por ello referencia a los ensayos dinámicos al final del apartado. 4.2. CAMPO DE APLICACIÓN Y OBLIGATORIEDAD Campo de aplicación El contenido de este capítulo es de aplicación para las obras de paso de ferrocarril. Las pruebas de carga en puentes con funciones diversas (acueducto y ferrocarril, carretera y ferrocarril, etc.) requerirán un tratamiento especial no considerado en este capítulo. Obligatoriedad La “Instrucción relativa a las Acciones a considerar en el Proyecto de Puentes de ferrocarril” de 1975 establece la obligatoriedad de la realización de pruebas de carga en puentes de ferrocarril, pero distingue si la prueba de carga es de recepción de obra

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nueva o de control de la obra en servicio, según se lee en su artículo 6: “Se distinguirán dos clases de pruebas de carga en puentes: - De recepción de obra nueva. - De control de la obra en servicio. Todo puente deberá ser sometido a las pruebas de recepción antes de su puesta en servicio. Estas pruebas deberán ser estáticas y dinámicas en todos los casos… … En los puentes metálicos de luz mayor de 12 metros se realizarán además cada 15 años pruebas estáticas y dinámicas análogas a las de recepción de obra nueva”. En el caso de puentes de nueva construcción, la prueba de carga es preceptiva, según el borrador de la “Instrucción de Acciones a considerar en el Proyecto de Puentes de ferrocarril” (IAPF-99) de próxima aprobación, que en su capítulo 6 indica lo siguiente: “Todo puente de nueva construcción deberá ser sometido a la prueba de carga antes de su puesta definitiva en servicio” El mencionado borrador de la “Instrucción de Acciones a considerar en el Proyecto de Puentes de ferrocarril” (IAPF-99) indica en el mismo capítulo lo siguiente: “En los puentes de hormigón y de fábrica, con independencia de su luz, no serán precisas pruebas de carga de control de obras en servicio de carácter periódico. Tan sólo cuando los resultados del parte derivado de la inspección visual u otras inspecciones realizadas hicieran temer por la seguridad de la estructura o se produzcan cambios en las condiciones de explotación que lo aconsejen se realizarán las pruebas estáticas y dinámicas análogas a las de recepción de obra nueva.” En general, también deberá realizarse la prueba de carga tras la ejecución de actuaciones importantes de ampliación y/o rehabilitación de una estructura en servicio. En el siguiente capítulo, relativo a puentes metálicos de ferrocarril, se abundará en el tema de las especificaciones establecidas en el borrador de la Instrucción para Inspecciones Técnicas en Puentes de Ferrocarril. Dirección de las pruebas de carga Las pruebas de carga deben realizarse por personal técnico especializado bajo la dirección de un Ingeniero con experiencia en este tipo de ensayos, que en adelante se denominará Director de la prueba y que, al igual que para el caso de puentes de carretera, debe ser designado por el Director de Obra. 4.3. PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA 4.3.1. PROYECTO DE LA PRUEBA En el proyecto de la prueba de carga deben quedar definidos todos los aspectos que

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se refieren a la realización del ensayo: -

Descripción de la estructura. Trenes de carga. Estados de carga. Esfuerzos generados por la sobrecarga a utilizar en el ensayo, en comparación con los esfuerzos teóricos máximos dados por las acciones de la Instrucción de proyecto. - Instrumentación prevista, medios auxiliares (en el caso de que sean necesarios) y valores teóricos previstos para las medidas experimentales. - Resultado de la inspección previa de la estructura ya construida, en el caso de que ésta se haya realizado, relacionando los deterioros, cambios en la obra con respecto al proyecto original si los hubiera, o cualquier otro detalle que pudiera afectar al comportamiento de la estructura durante la prueba de carga. Para el valor del tren de carga a utilizar en la prueba pueden seguirse dos criterios. El primero, análogo a lo ya descrito para puentes de carretera, sería emplear la locomotora o la combinación de locomotora, tolva y vagones, que generen los esfuerzos máximos sobre la estructura a ensayar, de manera que estos esfuerzos provocados por la sobrecarga de la prueba no superen un porcentaje determinado de los esfuerzos provocados por la sobrecarga de la Instrucción vigente, porcentaje que puede ser análogo al considerado en 3.2.2 para puentes de carretera. El segundo criterio, más habitual, sería utilizar un tren con las cargas máximas habituales en la línea. Es importante, para definir correctamente la superficie de reparto de las cargas sobre el tablero de la estructura, determinar la altura y situación del balasto, así como de las capas de hormigón o tierras, y cualquier otro elemento que se interponga entre las traviesas y el tablero. Dado que estas características suelen variar en obra con respecto a lo previsto en el proyecto de la estructura, se recomienda confirmar estas medidas una vez acabada la construcción de la estructura. Asimismo es importante confirmar la situación geométrica en planta de las vías con respecto al tablero, puesto que su posición puede variar en determinados procesos constructivos (cajones hincados bajo vía existente). El Proyecto de la prueba consta de las mismas partes que las indicadas en el epígrafe 3.2.1, para puentes de carretera. 4.3.2. ACCIONES A APLICAR Estados de carga Los estados de carga de la prueba se definirán en el Proyecto de forma que, colocando convenientemente las sobrecargas en distintas zonas de la estructura, los esfuerzos provocados por éstas alcancen los porcentajes deseados de los esfuerzos máximos producidos por el tren de carga de la Instrucción en las secciones críticas. En los estados de carga se distinguirá entre aquellos que pretenden verificar el comportamiento longitudinal o transversal de la estructura. Comportamiento longitudinal En el caso de vanos isostáticos se planteará un único estado de carga por vano.

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En el caso de puentes hiperestáticos (viga continua), será necesario plantear estados de carga en los que las sobrecargas se sitúen sobre parejas de vanos contiguos y parejas de vanos alternos, de forma que en todas las secciones de apoyo y de centro de vano (o, en general, en la sección del vano que corresponda), se alcancen los esfuerzos y flechas máximos, sin superar los porcentajes de esfuerzos indicados en el apartado anterior. En general, además de las secciones sobre apoyos y secciones de centro de luz, se considerarán críticas, y se definirán los correspondientes estados de carga para comprobarlas, aquellas secciones con cambios bruscos de geometría, cambio de materiales o aquellas que, a juicio del autor del proyecto, sea conveniente comprobar. Comportamiento transversal En el caso de que sobre el tablero exista más de una vía de ferrocarril, con el fin de comprobar el comportamiento de la estructura transversalmente se pueden plantear estados de carga que supongan la introducción de las sobrecargas en un lado u otro del tablero. En el caso de que existan varias vías de ferrocarril paralelas sobre la estructura, dependiendo de la distancia a que están situadas unas de otras y en función de la tipología de la estructura (por ejemplo, un marco de hormigón armado), puede no ser necesario plantear un estado de carga en el que se sitúe una sobrecarga en todas y cada una de las vías a la vez, puesto que la influencia de la sobrecarga situada en una de las vías extremas sobre la zona situada en el otro extremo (en sentido transversal) sea pequeña. Sería suficiente plantear más de un estado de carga, cargando la estructura por grupos de vías contiguos; de esta forma no es necesario utilizar en el ensayo tantos trenes de carga como vías haya. Los estados de carga asimétricos (distribuyendo las cargas en la mitad izquierda o en la mitad derecha de la estructura) se pueden plantear en otros casos, siempre a juicio del autor del proyecto, como puentes con un esviaje importante, puentes con doble arco, etc. Solamente en caso de que vaya a discurrir tráfico rodado en alguna zona del tablero, se plantea la posibilidad de realizar una prueba conjunta como puente de carretera y ferrocarril, utilizando los criterios expuestos tanto en el capítulo 3 como en el presente. Como norma general, la carga se aplicará solamente sobre las vías sin que sea necesario someter a prueba las aceras, caso de que existan. Trenes de carga En lo que se refiere a los trenes de carga a utilizar para llevar a cabo una prueba de carga, se debe considerar una de las locomotoras, tolvas o vagones tipo que se utilizan en la realidad, así como cualquier combinación de locomotora con uno de los otros tipos de sobrecargas.

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4.3.3. SISTEMA DE MEDIDA Magnitudes a medir Las magnitudes a medir serán las especificadas en el Proyecto de la prueba de carga. Habitualmente se consideran dos, desplazamientos verticales y deformaciones unitarias, aunque también podrán medirse giros, desplazamientos horizontales, temperaturas, humedades, anchura de fisuras y, en el caso de las pruebas dinámicas, también aceleraciones (a veces velocidades). Puntos de medida. Los puntos de medida y su localización vendrán especificados en el Proyecto de la prueba de carga. En general, se debe medir al menos la flecha en todas las secciones donde la respuesta es máxima (frecuentemente, los centros de vano) y el descenso en las líneas de apoyo. Se podrá prescindir de la medida de estos últimos si se considera que su valor no va a ser significativo en relación con las flechas en las secciones de máxima respuesta. El número de puntos de medida en cada sección será función del ancho del tablero y del tipo estructural. En el caso de tableros de vigas lo aconsejable es disponer de un mínimo de tres puntos, uno en la viga central y uno en cada viga de borde, aunque es recomendable disponer también al menos un punto en aquellas vigas que estén situadas geométricamente bajo las vías del ferrocarril. Si se trata de una sección en cajón o losa, puede ser aconsejable disponer como punto de medida en centro de luz al menos uno en el eje longitudinal y uno en cada borde de la losa, para determinar el comportamiento transversal de la estructura. En el caso de cajones hincados bajo una o varias vías de ferrocarril existentes, solución bastante habitual en la actualidad, se recomienda medir las flechas en centro de luz, al menos en los puntos que geométricamente estén situados bajo cada uno de los carriles de las vías. Si la luz del puente es apreciable, por ejemplo superior a treinta metros, es recomendable medir las flechas de los puntos situados a cuartos de luz (en el eje longitudinal de la estructura). Cabe hacer aquí la misma consideración que en los puentes de carretera en relación con la medida de deformaciones (ver 3.2.3.1). Aparatos de medida. El apartado 7 recoge de forma extensa todos los aspectos de la instrumentación. Los aparatos de medida que se utilicen deben estar sancionados por la experiencia en pruebas similares. Deben estar correctamente calibrados y poseer una sensibilidad mínima del orden de un 5% de los valores más pequeños esperados en los puntos de medida significativos. Además, su rango debe ser suficiente como para cubrir los valores máximos previstos, aumentados en un cierto porcentaje.

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Dado que la prueba dinámica es obligatoria, es necesario que la instrumentación y sistema de registro utilizado permita el registro automático de las medidas que se efectúen, así como su visualización en tiempo real. En el caso de los ensayos estáticos podría utilizarse instrumentación manual (nivelación de precisión para medida de flechas, por ejemplo). 4.3.4. CIRCUNSTANCIAS DE LA PRUEBA Fecha de realización La prueba de carga de recepción se realizará antes de la puesta en servicio de la estructura. En el caso de estructuras de hormigón, al objeto de no dañar la estructura ni comprometer la seguridad durante la realización de la prueba, todas las normativas hacen referencia a un plazo por debajo del cual no debe realizarse el ensayo. La RPC española establece que antes de realizar la prueba el hormigón debe haber alcanzado la resistencia característica del proyecto, aunque autoriza al Director de Obra a que considere si el ensayo pudiera realizarse antes, eso sí, tras analizar las posibles consecuencias de este adelanto. Estas mismas condiciones son aplicables a obras antiguas después de un proceso importante de reforma. En cuanto a la materialización de cargas permanentes correspondientes a unidades de obra no ejecutadas en el momento de la prueba, cabe hacer las mismas consideraciones que se hicieron en 3.2.4.1 para puentes de carretera. Inspección de la obra Se tendrán en cuenta los medios auxiliares de acceso que sean necesarios para la colocación de la instrumentación, así como los posibles obstáculos que impidan su empleo. También se tendrá en cuenta el replanteo de las posiciones del tren de carga sobre el tablero, la distribución y organización del personal y los puntos característicos a controlar durante el desarrollo de la prueba. Elementos de seguridad No es habitual la utilización de elementos de seguridad como podrían ser apeos bajo el tablero, tal como a veces se realiza en edificación. El atento seguimiento de la respuesta de la estructura durante el ensayo es la precaución habitual. 4.4. REALIZACIÓN DE LA PRUEBA 4.4.1. ACCIONES PREVIAS La prueba de carga exige una preparación y una organización en la que se prevean todos los detalles necesarios para su ejecución, de forma que se garantice la fiabilidad de los resultados y las adecuadas condiciones de seguridad para las personas, los equipos y la propia obra.

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En lo que respecta al personal necesario para la ejecución de una prueba de carga, y especialmente cuando se realice con un sistema de adquisición de datos automático, además de los técnicos responsables de la prueba de carga, es necesario un operario especialista que se encargue de situar las sobrecargas en las posiciones previstas en cada estado de carga y en la secuencia especificada. Este operario debe permanecer en contacto obligatoriamente por vía acústica (radio, teléfono o bien directamente) y, en caso de ser posible, por vía óptica (mediante imagen de vídeo a través de un monitor de televisión o bien directamente) con el técnico responsable de la prueba de carga, que seguirá el desarrollo de la misma desde el centro de adquisición y control de datos. Es recomendable el conocimiento por parte del operario del funcionamiento de una prueba de carga así como del sistema de señalización y comunicación de los operarios del material móvil, de manera que pueda responder adecuadamente a una instrucción de colocación o retirada de las sobrecargas de su posición cuando así lo indiquen los técnicos responsables de la prueba de carga. Para la instrumentación de una estructura es necesaria la presencia de dos operarios especialistas, que en función de su experiencia deberán contar o no con la supervisión del técnico responsable de la instrumentación o de la propia prueba de carga. En cualquier caso, siempre es obligatoria una última inspección de la instrumentación así como una comprobación de la misma por parte del técnico responsable de la prueba de carga antes de la ejecución de la misma, con objeto de verificar el correcto funcionamiento de la instrumentación colocada para que no influya negativamente en los resultados del ensayo. 4.4.2. MATERIALIZACIÓN DEL TREN DE CARGA Se empleará un tren de carga constituido por locomotoras, tolvas o vagones, cuyo número y características estarán definidos en el Proyecto de la prueba de carga. El nivel de carga alcanzado durante la prueba debe ser representativo de las acciones de servicio. Se considera adecuado alcanzar un nivel de carga correspondiente a un periodo de retorno próximo a 5 años. De acuerdo con esto, se aconseja que las solicitaciones a que dé lugar el tren de carga estén en torno al 60% de los valores teóricos producidos por el tren de carga definido en la Instrucción vigente, adoptando sus valores característicos sin mayorar. Actualmente sigue siendo válida la “Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril” de 1975, siendo previsible la entrada en vigor en un plazo breve de la nueva “Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril (IAPF)”. En ningún caso las solicitaciones producidas por el tren de carga real serán superiores al 70% de dichos esfuerzos teóricos. Los pesos y dimensiones de las locomotoras y vagones son fijos y vienen definidos en fichas. La figura 4.1 muestra, a modo de ejemplo, esquemas correspondientes a fichas de una de las locomotoras más comunes en la red ferroviaria española. En el caso de que se utilicen tolvas, estas deberán venir pesadas en báscula, debiendo quedar garantizado que su valor no se desvía más de un 5% del considerado en el Proyecto de prueba de carga.

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Figura 4.1. Ejemplo de ficha de una locomotora

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4.4.3. POSICIÓN DEL TREN DE CARGA La posición de las sobrecargas en cada estado de carga deberá marcarse previamente sobre las vías, dado que los trenes de carga sólo van a circular por ellas. Bastará con indicar la posición de uno de los ejes de cada grupo de cargas, puesto que las dimensiones son fijas para el tipo de locomotora, tolva o vagón elegidos y deberán venir indicados en el Proyecto de prueba de carga, aunque el marcado de la posición de algún otro eje puede permitir comprobar que no ha habido discrepancias entre las distancias entre ejes consideradas en el Proyecto de prueba de carga y las reales. En el caso de que se realice la prueba de carga antes de la ejecución de alguna de las unidades no estructurales que forman parte de la carga muerta, se podrá materializar su peso incrementando la carga de la prueba o añadiendo una carga supletoria con antelación suficiente para que se produzca la estabilización. Como comentario cabe añadir que dado que en los puentes de ferrocarril la mayor parte de la carga muerta corresponde al balasto, traviesas, carriles y los elementos de electrificación, no es relevante la falta de imposta e incluso aceras u otros elementos auxiliares para la ejecución de la prueba, salvo en el caso de que vayan unidas al tablero de la estructura y contribuyan de manera notable a la rigidez del mismo. 4.4.4. APLICACIÓN DEL TREN DE CARGA Es de aplicación al caso de puentes de hormigón para ferrocarril todo lo expresado en el apartado 3.3.2 para puentes de carretera, en lo que respecta a los ciclos de carga, escalones de carga, estabilización de las lecturas y remanencias. Cabe añadir aquí que, en general, en puentes con más de una vía se aconseja aplicar la carga en un mínimo de dos escalones. En el caso de que haya más de una vía, la entrada de una locomotora o de un conjunto de locomotora y vagón o tolva en una vía, constituirá un escalón de carga. De forma complementaria y si los equipos de medida permiten llevar a cabo la adquisición de los datos con rapidez, se efectuará una lectura de los parámetros controlados tras la entrada o salida de cada tren de carga de una vía. 4.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS 4.5.1. COMPROBACIONES Una vez obtenidos los resultados del ensayo se debe proceder a analizar la respuesta de la estructura en los puntos de medida, de acuerdo con el siguiente proceso: - Obtención de las gráficas de evolución de la medida. - Determinación de los valores máximo y mínimo de la medida, para determinar posibles derivas de la señal o cualquier evolución de la misma que indique una inestabilidad. - Obtención de los valores remanentes en cada punto de medida. - Obtención de los valores de flecha netos en el centro de luz. Estos valores se obtienen descontando al valor de la flecha de un punto en el centro de luz

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el valor medio de los descensos de los apoyos en ese vano, en el caso de tablero biapoyado. Si dicho tablero está empotrado en las pilas o estribos, no se descontará nada a los valores de flecha en el centro de luz. - Obtención de los valores de deformación unitaria, en el caso de que se hayan registrado. - Comparación de los valores de flecha neta y deformación unitaria en los puntos del centro de luz de cada vano con los valores teóricos dados en el Proyecto de la prueba de carga. - Obtención del porcentaje de recuperación de cada punto de medida en el centro de luz una vez finalizado el estado de carga. Se comparan los valores remanentes con los valores netos alcanzados. 4.5.2. CRITERIOS DE ACEPTACIÓN Tanto la “Instrucción de hormigón estructural” (EHE) como el borrador de la futura “Instrucción relativa a la Inspecciones Técnicas en los Puentes de Ferrocarril” coinciden en considerar que el resultado de la prueba puede considerarse satisfactorio si se cumplen las condiciones que se indican a continuación: - En el caso de estructuras de hormigón pretensado, las flechas netas máximas, obtenidas después de la estabilización no superarán en más de un 10% a los valores previstos en el Proyecto de prueba de carga. Si se trata de puentes de hormigón armado, este porcentaje aumenta al 15%. - Si los valores obtenidos son inferiores al 60% de los valores previstos, será necesario justificar esta disminución de la respuesta. - Cuando se realicen pruebas simplificadas, en los vanos en los cuales se ha hecho la prueba de carga completa serán de aplicación los párrafos anteriores para la relación entre los valores obtenidos y los valores previstos. - En los vanos en los que se ha realizado la prueba simplificada, los resultados obtenidos no deberán desviarse más de un 10% de los del vano al cual se han asimilado, una vez introducida la corrección debida a la diferencia de luces. Si algún vano no cumple esta condición, deberá realizarse sobre el mismo la prueba de carga completa. - La abertura de fisuras producidas en el transcurso de la prueba de carga, así como de las que permanezcan abiertas una vez retirada la carga, deberá estar en consonancia con los criterios recogidos en la “Instrucción de hormigón estructural” (EHE) para la comprobación del estado límite de fisuración. - No deberán aparecer signos de agotamiento de la capacidad portante en ninguna parte de la estructura. - En cuanto a las remanencias, pueden adoptarse los criterios establecidos en 3.3.2 para los puentes de carretera. 4.6. INFORME DE LA PRUEBA Una vez finalizada la prueba de carga se redactará el informe de la prueba, en el que figurarán los aspectos siguientes: - Antecedentes. - Fecha, hora de inicio y fin y asistentes a la prueba.

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- Referencia al proyecto de la estructura y de la prueba de carga (clave, autor, fecha, etc.). - Descripción de la obra y de su estado previo a la prueba. - Descripción detallada de las sobrecargas utilizadas y los distintos estados de carga. - Descripción de las magnitudes, equipo instrumental de toma de datos y número y situación de los puntos de medida. Conviene hacer referencia a los rangos y precisión de los aparatos de medida, así como a sus códigos de referencia (si existe un sistema de calidad que así lo exija) para poder identificar con precisión los aparatos empleados en cada punto de medida y detectar posibles errores de funcionamiento de los mismos en caso de valores anómalos de medida. - Información sobre el desarrollo de la prueba (hora de comienzo en cada estado de carga, tiempo transcurrido entre carga y descarga, número de escalones, etc.). - Registros de las magnitudes medidas durante la prueba. - Comparación con los valores teóricos previstos y valoración del cumplimiento de los criterios de aceptación, así como comentario de las recuperaciones obtenidas en cada uno de los puntos. - Cuestiones de interés observadas en las inspecciones de la obra antes, durante y después de la prueba. - Varios: documentación fotográfica, condiciones meteorológicas, puntos de referencia. - Acta oficial de la prueba. 4.7. PRUEBAS DE CARGA SIMPLIFICADAS En el caso de una prueba de carga en un puente con varios vanos similares, o de obras iguales e independientes, se podrá adoptar alguna reducción en cuanto a la intensidad y detalle en la ejecución de las pruebas, dando lugar a lo que se denomina pruebas de carga simplificadas. Estas pruebas de carga simplificadas deben estar descritas en el proyecto de prueba de carga con el mismo grado de detalle que en el caso de pruebas de carga completas. - En el caso de puentes con varios vanos similares, si estos son simplemente apoyados deberá realizarse la prueba completa de uno de cada cuatro vanos similares o fracción, con un mínimo de dos vanos, pudiendo simplificarse la prueba en el resto. - Si los vanos fueran continuos, deberá realizarse la prueba completa en los vanos extremos y en uno de cada cuatro vanos interiores similares o fracción, con un mínimo de dos vanos interiores (prueba completa de un vano es aquella en la que se introducen todos los estados de carga correspondientes a ese vano: el que produce la máxima flexión sobre el apoyo precedente, sobre el apoyo posterior y el vano). Se considerarán vanos similares aquellos cuyas luces no difieran en más de un 10% respecto de la del vano medio, siempre que su solución estructural sea la misma.

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- En el caso de que haya cuatro o más obras iguales, y siempre que hayan sido ejecutadas en las mismas condiciones, podrá hacerse una prueba de carga simplificada en un número de ellas no superior al 50%. En aquellas estructuras en las que se apliquen las simplificaciones, se efectuará la prueba completa en, al menos, dos vanos. La simplificación se aplica de la siguiente manera: - La aplicación de la carga se reduce a un único escalón. - Sólo será necesario instrumentar los puntos más característicos, bastando generalmente con la medida de las flechas en el centro de la luz de cada uno de los vanos y el descenso de apoyos en caso de considerarse su magnitud representativa. - Se puede reducir el número de estados de carga en el Proyecto de la prueba, con la condición de que todos los vanos queden sometidos a la acción de algún tren de carga (incluso bastaría con realizar la prueba cuasi-estática si se cuenta con sistemas automáticos de medida). 4.8. ENSAYOS DINÁMICOS El objetivo de la prueba dinámica es la obtención de parámetros tales como las frecuencias de los primeros modos de vibración, el amortiguamiento o el coeficiente de impacto, que identifican unas características intrínsecas de la estructura y el confort del usuario. Los ensayos pueden contribuir a detectar anomalías de carácter funcional, como movimientos imprevistos en aparatos de apoyo, vibraciones en elementos de la estructura, etc. En el Proyecto de prueba de carga se deben definir los parámetros dinámicos que se van a registrar en la prueba, así como los valores teóricos previstos para los mismos, aunque en la práctica se reduce al valor de la frecuencia propia y el periodo (inverso de la frecuencia) de la estructura en sus primeros modos. 4.8.1. CONDICIONES DE EJECUCIÓN El proyecto y la ejecución de las pruebas dinámicas deberán ser realizados por equipos con una amplia experiencia en este tipo de ensayos y con los medios adecuados para el registro de las diferentes señales. Los equipos utilizados deben ser capaces de registrar automáticamente las señales que reciban y como mínimo se debe contar con transductores de desplazamiento y acelerómetros, cuya respuesta sea de 0 a 50 Hz en frecuencia y de al menos ±0,50 g en amplitud. La duración de los registros deberá ser la suficiente para que reflejen las condiciones iniciales, el desarrollo del ensayo y la zona de amortiguamiento final. El número de medidas por segundo habrá de ser como mínimo de 100 por cada punto instrumentado. El sistema de adquisición de datos deberá proporcionar el valor de la frecuencia fundamental de vibración con una precisión mínima que las Recomendaciones para Pruebas de Carga de Puentes de Carretera establecen en 0,05 Hz, valor éste que requiere disponer de registros de, al menos, 20 segundos de duración, lo que en puentes de ferrocarril es a veces difí-

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cil de conseguir. Es importante que el puente esté finalizado completamente (balasto, material ferroviario, aceras, pretiles, etc.) debido a la repercusión del estado de la obra en su respuesta dinámica. 4.8.2. EXCITACIÓN DE LA ESTRUCTURA La fuente de excitación será una locomotora que recorrerá el puente por una de las vías a diferentes velocidades: - Velocidad lenta, aproximadamente 5 km/h (prueba cuasi-estática). - Velocidad media: alrededor de 30 km/h. - Velocidad máxima: por encima de 60 km/h si las condiciones de la obra lo permiten. Para la obtención del decremento logarítmico (amortiguamiento) se emplean las señales de desplazamiento preferiblemente. En su defecto se puede recurrir a deformaciones unitarias o aceleraciones. 4.8.3. ANÁLISIS DE RESULTADOS Es difícil establecer criterios de aceptación en las pruebas dinámicas por la gran cantidad de factores que pueden afectar a la respuesta de la estructura. En algunos casos pueden servir para detectar un posible problema de incomodidad en los usuarios o la generación de esfuerzos no previstos en los cálculos. Frecuencias propias Para la determinación de las frecuencias propias y del amortiguamiento estructural, se puede realizar una prueba consistente en el frenado de la locomotora justo encima de la estructura una vez que ha alcanzado la velocidad máxima. De esta manera, se consigue excitar la estructura, y analizando las señales registradas, usualmente mediante acelerómetros, se obtienen las frecuencias propias. En determinadas estructuras es posible obtener las frecuencias de vibración directamente del análisis de los valores de desplazamiento vertical, sin necesidad de recurrir a la señal del acelerómetro. Lo habitual es que se produzca una correlación entre la desviación obtenida en las medidas de desplazamientos en la prueba estática y los valores teóricos, y la desviación obtenida entre la frecuencia realmente medida y la teórica de cálculo. De esta manera, si las flechas obtenidas son menores que las previstas, la estructura resulta más rígida y su frecuencia de vibración real será algo superior a la prevista. En general las flechas son inversamente proporcionales a la rigidez del tablero, mientras que la frecuencia es directamente proporcional, en una primera aproximación, a la raíz cuadrada de la misma. Una posible desviación de la frecuencia de vibración respecto de su valor teórico, sin la correspondiente desviación de la flecha estática, pondrá de manifiesto una variación de la masa respecto de su valor de cálculo.

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Amortiguamiento El amortiguamiento se suele expresar mediante el decremento logarítmico, que se define como:

siendo: n,

número de ciclos del intervalo considerado de la frecuencia fundamental. Varía entre 5 y 20.

A 0,

amplitud de la respuesta dinámica al inicio de dicho intervalo.

An,

amplitud de la respuesta dinámica al final del intervalo.

Las amplitudes se tomarán en la zona del registro de datos correspondiente a las vibraciones libres de la estructura, es decir, una vez que la sobrecarga haya abandonado el tablero. Valores normales del decremento logarítmico suelen estar entre 0,03 y 0,15. También se puede expresar el amortiguamiento como fracción del amortiguamiento crítico a través del índice de amortiguamiento ξ, que se define mediante la relación:

El método anterior solamente es viable cuando la estructura presenta una vibración según un único modo. Cuando esto no sucede existen otros procedimientos para la obtención del decremento logarítmico, ya sea mediante el ajuste de una función exponencial a los picos máximos de la respuesta o bien, cuando los registros están constituidos por la mezcla de diversas componentes modales, mediante la utilización de técnicas de análisis digital de señales. Coeficiente de impacto El coeficiente de impacto es la relación entre la respuesta de pico en un punto de la estructura, en desplazamiento o deformación, al paso dinámico del tren de cargas y la respuesta estática en ese mismo punto frente al mismo tren. Para determinar el coeficiente de impacto que provocan las cargas dinámicas sobre la estructura se comparan para un mismo punto de medida los valores de los desplazamientos verticales o deformaciones entre las pruebas cuasi-estática y la de máxima velocidad. Normalmente este cálculo se realiza en puntos que presentan una alta respuesta al paso de la carga. La figura 4.2 muestra una prueba de carga en un puente ferroviario de hormigón.

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Figura 4.2. Prueba de carga de un puente ferroviario de hormigón (Cortesía GEOCISA)

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5. Pruebas de carga de puentes ferroviarios metálicos 5.1. INTRODUCCIÓN Los puentes de ferrocarril metálicos, especialmente las celosías, constituyen una tipología que presenta una serie de particularidades en lo que a la realización de pruebas de carga se refiere. Por un lado, los ensayos de carga en este tipo de puentes revisten una mayor complejidad. La instrumentación es más completa, ya que por lo general se miden deformaciones en un elevado número de puntos de la estructura, existiendo por otro lado la dificultad adicional del difícil acceso a las zonas de medida. Por otra parte, en España son, además, las únicas estructuras en las que sistemáticamente se realizan pruebas de carga para la re-evaluación de su comportamiento estructural. Esto último conlleva también la necesidad de realizar los ensayos con la estructura en servicio, lo que supone la previsión hasta el más mínimo detalle de la logística, a fin de afectar al mínimo la explotación de la línea. Al contrario que en los apartados anteriores, referidos a puentes de carretera y a puentes de ferrocarril de hormigón, en los que se hacía referencia fundamentalmente a las pruebas de carga de recepción de obra nueva, por ser las más frecuentes para ese tipo de estructuras, en el presente apartado se considerará como prueba de carga de referencia la de evaluación de estructuras existentes, por ser la más habitual para la tipología de puentes metálicos. 5.2. OBLIGATORIEDAD. NORMATIVA DE ENSAYO Instrucción de 1975 Abundando en lo ya comentado en 4.2, la Instrucción relativa a las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril de 1975, en su apartado 6 relativo a Pruebas de Carga, establece la obligatoriedad de realización de las siguientes pruebas [6]: a) De recepción de obra nueva. b) De control de obra en servicio. Estas pruebas serán estáticas y dinámicas en todos los casos, debiéndose incluir en el Proyecto Constructivo del puente un Anejo a la Memoria en el que se describan y justifiquen las diversas fases de la prueba de carga, elementos que se deberán comprobar y esfuerzos que estos han de soportar, que en ningún caso deberán superar a los deducidos en los cálculos por aplicación del tren de cargas de la Instrucción.

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Para las pruebas de control de obras en servicio se observarán las siguientes prescripciones: a) En todos los puentes, cualquiera que sea la luz y el material de que están realizados, se harán inspecciones visuales de periodicidad anual. En ellas se observará el estado de los aparatos o elementos de apoyo, la conservación de los materiales integrantes del puente y en general la situación externa de la estructura. Como resultado de dichas inspecciones se formularán partes justificativos con descripción de los pormenores citados. b) En todos los puentes metálicos de luz mayor de 12 m se realizarán además, cada 15 años, pruebas estáticas y dinámicas análogas a la de recepción de obra nueva anteriormente descrita. Si en algún puente metálico de menor luz de la citada, los resultados derivados del parte de la inspección visual fueran de tal índole que hicieran temer por la seguridad de la estructura, se realizarán asimismo en dicho puente las citadas pruebas. Recomendaciones UIC En el año 1986 la Union Internationale des Chemins de Fer (UIC) editó, a modo de recomendación como es habitual, la ficha 778-2 R de título “Recommandations pour la determination de la capacité portante des structures métalliques existantes”, posteriormente actualizada en 1991 [8]. En ella se fijan los siguientes criterios para estimar la capacidad portante de una estructura en servicio: -

Proyecto de ejecución y cálculos estáticos existentes. Características de los materiales. Estimación del estado de la construcción. Resultado de medidas. Verificaciones relativas a fatiga.

En esta ficha, la necesidad de realizar ensayos experimentales sobre una obra en servicio se impone únicamente para los siguientes supuestos: - Cuando el cálculo estático no permite justificar que la capacidad portante corresponde a las exigencias de explotación actuales o futuras. - Cuando el funcionamiento de la obra no puede ser representado de forma suficientemente correcta por un modelo teórico (por ejemplo: comportamiento espacial, participación del tablero en la capacidad portante de las vigas principales, influencia de las solicitaciones dinámicas). - Cuando las comprobaciones a fatiga conducen a resultados desfavorables. Se comenta también que el análisis experimental puede hacerse necesario para confirmar los resultados de los cálculos, así como para justificar el comportamiento de la obra bajo efectos de larga duración. Sirviendo también este tipo de ensayos para conocer tanto la calidad de los materiales, como vicios ocultos.

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La ficha de la UIC fija, adicionalmente, unos criterios de aceptación que se basan en la obtención de coeficientes de seguridad por el método de los estados límite, señalando unos valores extremos que entiende deben ser menos restrictivos que los que se considerarían a la hora de realizar el proyecto de una obra nueva. Orden Ministerial por la que se regulan mediante Instrucción las Inspecciones y Pruebas de Carga en Puentes de Ferrocarril (lIPF) La orden ministerial a que hace referencia la IAPF está también, en el momento de redactar este documento, en fase final de tramitación. Se refiere fundamentalmente a las inspecciones técnicas de puentes e incluye, en su Capítulo 4, las pruebas de carga. Los puntos principales de su contenido son los siguientes: a) Obra nueva: - Se exige prueba de carga de recepción, que será estática y dinámica, para todos los puentes nuevos con luz igualo superior a 10 metros, independientemente de su tipología y material constructivo. b) Obra en servicio: - En puentes metálicos y mixtos con luz igualo superior a 10 metros y con uniones roblonadas o atornilladas se realizarán pruebas de carga cada 15 años. - En el caso de uniones soldadas, el plazo se amplía a 30 años. - No es necesaria la realización de ensayos periódicos en el caso de puentes de hormigón, salvo que el resultado de inspecciones previas así 10 aconsejaran. Orden Ministerial por la que se regulan las Inspecciones Técnicas en los Puentes de Ferrocarril (ITPF) La orden ministerial a que hace referencia la IAPF está también, en el momento de redactar este documento, en fase de preparación. Se refiere fundamentalmente a las inspecciones técnicas de puentes e incluye, en su Capítulo 4, las pruebas de carga. Los puntos principales de su contenido son los siguientes: a) Obra nueva o tras importante reparación o ampliación: - Se exige prueba de carga de recepción, que será estática y dinámica, para todos los puentes nuevos con luz igual o superior a 10 metros, independientemente de su tipología y material constructivo. b) Obra en servicio: - En puentes metálicos y mixtos con luz igual o superior a 10 metros y con uniones roblonadas o atornilladas se realizarán pruebas de carga cada 15 años. - En el caso de uniones soldadas, el plazo se amplía a 30 años. - No es necesaria la realización de ensayos periódicos en el caso de puentes de hormigón.

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- Se realizarán pruebas de carga de evaluación cuando se haya detectado una falta de seguridad tras una inspección principal. 5.3 TIPOLOGÍA DE LOS ENSAYOS De acuerdo con las exigencias de la actual reglamentación las pruebas de carga en puentes de ferrocarril pueden agruparse en dos grandes tipos: - Pruebas de carga de recepción de obra nueva. - Pruebas de carga de obras en servicio. El primer tipo de pruebas tiene como finalidad comprobar que para unas situaciones de carga, representativas de las acciones a las que va a estar sometida la estructura durante su vida en servicio, su comportamiento se ajusta a las previsiones de los cálculos de su proyecto de ejecución. El segundo tipo tiene como objetivo la evaluación del comportamiento de la estructura con el paso del tiempo y la comprobación de su adecuación a las condiciones de explotación a lo largo de los años. Dentro de las pruebas de carga de puentes en servicio se incluyen también aquellas que, fuera de los plazos previstos en la normativa, deban realizarse por alguna de las siguientes causas: - Existencia de daños relevantes como: golpes, grietas, fisuras o degradación por corrosión de los elementos constitutivos, que aconsejen dictaminar sobre las condiciones resistentes de la obra y la necesidad de su reparación o refuerzo. - Comprobación de refuerzos de carácter local o global de la estructura, con motivo de reparaciones de daños o por variaciones en las sobrecargas de explotación. 5.4. PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA 5.4.1 ACTUACIONES PRELIMINARES Con anterioridad a la realización de la prueba de carga de un puente, es precisa la realización de una serie de actuaciones que a continuación se describen: Inspección preliminar La inspección de la estructura constituye el primer paso obligado para la realización de una prueba de carga de un puente ferroviario. Su objeto es obtener un primer conocimiento de las características y el estado del puente a analizar. Esta inspección técnica deberá ser realizada por personal especializado en este tipo de trabajos y con la titulación apropiada. Es necesario proceder a la inspección de los puentes comprobando por una parte la concordancia de la estructura construida con aquella definida en los planos del pro-

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yecto; y por otra el estado de todos sus elementos constituyentes y elementos de unión. En ocasiones no existe documentación válida de la estructura por diversas causas: a) Extravío de los planos y de la documentación necesaria. b) Falta de concordancia entre el Proyecto y la obra realizada. c) Cambios y refuerzos efectuados sin dejar constancia documental de los mismos. En estos casos es necesario llevar a cabo la medición de la estructura y realizar los planos que la definan, al menos en lo relativo a su geometría e identificación tipológica de las secciones más importantes. La inspección debe incluir los siguientes aspectos: - Emplazamiento del puente, accesos, precauciones vigentes, seguridad y condiciones de la explotación ferroviaria, así como la necesidad de medios auxiliares en la ejecución de los trabajos posteriores de instrumentación para realizar la prueba de carga. - Obtención de la documentación fotográfica necesaria para el ulterior estudio y documentación del puente. - Reconocimiento de estribos y pilas: material constituyente, disposición, estado de conservación, existencia de grietas y deformaciones o desplazamientos de los paramentos. - Inspección de los aparatos de apoyo, determinando su tipología, viabilidad funcional y grado de conservación y mantenimiento. - Identificación de los datos tipológicos de la estructura del puente, incluyendo los medios de unión entre los distintos elementos y detectando posibles carencias estructurales. - Inspección del estado de conservación de la estructura con especial atención a la existencia de fisuras, uniones flojas, corrosiones y elementos deteriorados por otras causas. - Reconocimiento general del material de vía dispuesto sobre el puente. - Localización del conjunto de todos los daños y singularidades detectados, con realización de un croquis de daños. Caracterización de materiales Para el correcto análisis de las pruebas es necesario disponer de datos exactos sobre las características del material constituyente de los puentes. Sin embargo, salvo en casos especiales que lo requieran, no se realizan en general ensayos encaminados a la obtención de sus características mecánicas, adoptándose aquellas especificadas en el proyecto u otra documentación de la obra cuando existe, o adoptándose para las mismas unos valores que correspndan a los de los materiales al uso en la fecha de construcción. 5.4.2. CÁLCULOS TEÓRICOS Y DEFINICIÓN DE LA PRUEBA Una vez conocida la geometría de la estructura del puente así como su estado de con-

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servación, debe procederse a realizar una comprobación teórica del mismo, con el fin de determinar qué variables físicas deben medirse durante la prueba de carga y en qué puntos de la estructura. Para ello se analizarán los cálculos de Proyecto de la estructura metálica, si existen, debiéndose realizar en su defecto dichos cálculos, que contemplarán en el caso más completo y conforme a la normativa vigente, las siguientes acciones y aspectos: -

Peso propio y cargas permanentes. Trenes de carga de la vigente Instrucción. Impacto. Fuerza centrífuga. Descentramiento, ripado y peralte de la vía. Viento. Lazo. Frenado y arranque. Seguridad al vuelco. Fenómenos de inestabilidad: pandeo local de elementos comprimidos, abolladura del alma y pandeo lateral de vigas. - Frecuencia fundamental de vibración de las vigas principales. - Comprobación del dimensionamiento de los aparatos de apoyo. En función de las características del puente y de las solicitaciones obtenidas, se definirá el tren de cargas óptimo para la realización de las pruebas, que lógicamente deberá adaptarse al material móvil existente en las diferentes administraciones ferroviarias y que deberá ser representativo de las acciones de servicio. Según el borrador de la Instrucción relativa a las inspecciones en puentes de ferrocarril, las solicitaciones estáticas en las zonas críticas estarán en torno al 60% de los valores estáticos teóricos producidos por el tren de cargas del proyecto constructivo. Con el tren de carga seleccionado para el ensayo se realizarán los cálculos para determinar las deformaciones y elementos más solicitados de la estructura, lo que permitirá determinar el número y la ubicación de los diferentes instrumentos de medida a disponer para la ejecución del ensayo, que serán los suficientes para permitir la correcta evaluación del comportamiento de la obra. Las pruebas que habitualmente se realizan con el tren de cargas seleccionado son las siguientes: -

Velocidad nula: 0 km/h (pruebas estáticas en las posiciones pésimas de carga). Velocidad lenta: 10 km/h (prueba cuasiestática). Velocidad intermedia: entre el 50% y 70% de la máxima de itinerario. Velocidad máxima de itinerario. Frenado a velocidad máxima de itinerario.

En el caso de puentes con doble vía, solamente en determinados casos en pruebas de recepción de obra nueva que todavía no está en servicio se puede disponer de tren de carga en ambas vías para las pruebas estáticas. Los ensayos dinámicos se efectúan siempre por una sola de las vías.

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Para el análisis del comportamiento de la estructura frente a cargas simultáneas en ambas vías, dependiendo de la simetría de la estructura y de su patología, se suelen adoptar varias soluciones: a) Se realizan los ensayos solamente en una de las vías, se supone que los efectos del tren circulando por la otra vía serían simétricos y se superponen los efectos. b) Se realizan los ensayos independientemente en ambas vías y se superponen los efectos. Salvo indicación expresa en el proyecto de la prueba, se suele realizar una prueba estática por tramo en los puentes isostáticos. En los hiperestáticos se realizan las posiciones de carga complementarias necesarias que produzcan las máximas solicitaciones en las secciones de apoyo con los trenes previstos para el ensayo. Las pruebas dinámicas se realizarán una sola vez, siempre que el número total de captadores permita su registro simultáneo. En caso de ser muy elevado este número, se procederá a repetir las pruebas tantas veces como grupos de puntos con registro simultáneo puedan hacerse. Para la realización de los ensayos será necesario que la obra esté totalmente finalizada (material de vía definitivo, paseos, barandillas, etc.), con el fin de no distorsionar los resultados referentes a la respuesta dinámica de la estructura. 5.4.3. INSTRUMENTACIÓN El sistema de captación de señales será de registro continuo, permitiendo durante la realización de las pruebas la visualización de las lecturas de los instrumentos en tiempo real, para poder controlar en todo momento el ensayo. El número total de instrumentos a colocar por tramo de puente será función de la tipología estructural, recomendándose un número mínimo de dieciséis puntos en aquellos puentes de tipología sencilla (p.e. puentes de alma llena con vigas larguero), y un número entre 50 y 60 en puentes de tipología compleja (p.e. puentes con celosías múltiples o Linville, y con tablero). En todo caso el número de puntos de medida dependerá de circunstancias específicas, tales como: historia de la estructura, estado de conservación, resultados en pruebas anteriores, etc. En el caso de puentes con varios tramos, el número de puntos recomendados para tramo único podrá reducirse entre un 40% y un 70% según los casos. La instrumentación de la estructura debe concebirse de forma que se dispongan sensores, tanto para medir parámetros que caractericen el funcionamiento general del puente, como para permitir el análisis más profundo de zonas localizadas, cuyo estudio esté aconsejado, bien por la propia tipología del puente, bien por las observaciones realizadas durante su inspección. Las magnitudes a medir en el primero de los casos suelen ser desplazamientos en centros de vanos y apoyos, deformaciones en centros de vigas de alma llena y de barras de vigas en celosías, y aceleraciones. A partir de dichas medidas se pueden obtener

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tensiones, frecuencias propias de vibración, coeficientes de impacto global, etc. En el segundo grupo se incluirían aquellos sensores para medida de deformaciones en extremos de barras de vigas en celosía, en zonas de finalización de platabandas, zonas reforzadas en las que se desee analizar la efectividad de los refuerzos realizados, zonas de concentración de cargas, etc. Para el estudio del comportamiento dinámico en lo que respecta a frecuencias propias se suelen utilizar acelerómetros situados en puntos característicos del tablero. 5.4.4. PROYECTO DE PRUEBA DE CARGA Los aspectos relativos a la definición de puntos de medida, trenes de carga, definición de pruebas, características de los equipos de instrumentación, medios auxiliares y resultados esperados, deben quedar plasmados en un Proyecto de Prueba de Carga que quedará recogido como Anejo a la Memoria del Proyecto Constructivo del puente. En caso de no existir, deberá ser redactado por un ingeniero superior cualificado, por encargo de la Dirección de Obra. El Proyecto constará de los cuatro Documentos habituales ya descritos en el apartado dedicado a puentes de carretera (apartado 3.2.1). 5.5. REALIZACIÓN DE LAS PRUEBAS Una vez instrumentada la estructura, a partir de los croquis de situación de los puntos de medida, se procederá a la realización de las pruebas con el tren de cargas definido en el Proyecto de la Prueba de Carga. 5.5.1. APLICACIÓN DE LAS CARGAS. CICLOS Y ESCALONES DE CARGA Ya se ha comentado la constitución habitual del tren de carga mediante una o más locomotoras. En casos excepcionales, puede ser recomendable la realización de estos ensayos utilizando vagones-tolva empujados sin unión física al material de tracción. Habitualmente se realizará para cada prueba estática programada un solo ciclo de carga. En casos particulares podría ser necesaria la repetición de alguna de las pruebas con el fin de comprobar determinados comportamientos de la estructura detectados en el primer ciclo de carga. Los ensayos estáticos deben ser los primeros en realizarse en pruebas de carga de recepción, siendo recomendable aplicar la carga de forma progresiva controlando simultáneamente la evolución de las variables registradas, aunque habitualmente los puentes ferroviarios, antes de su puesta en servicio, ya han soportado cargas generalmente de entidad inducidas por los trenes de trabajo. Aunque la recomendación general, especialmente en pruebas de recepción, es aplicar la carga del ensayo en un mínimo de dos escalones, en el caso que nos ocupa, por la dificultad o imposibilidad de fraccionar la carga y salvo que la estructura muestre una

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patología que haga dudar de su capacidad resistente, la carga se coloca habitualmente en un solo escalón, realizando los movimientos del tren con suficiente lentitud para no provocar efectos dinámicos sobre la estructura y controlando mediante la instrumentación que la respuesta de la misma es correcta. Las pruebas dinámicas se iniciarán una vez comprobado el correcto funcionamiento del puente en las pruebas estáticas. Se realizarán de menor a mayor velocidad, finalizando con la prueba de frenado Con el fin de analizar con mayor precisión fenómenos de amplificación dinámica, es recomendable realizar todos los ensayos dinámicos con el tren circulando en el mismo sentido. Los ensayos se interrumpirán si, a juicio del Director, durante alguna de las pruebas se observase la aparición de algún fenómeno anómalo que hiciese temer por la seguridad de la obra. 5.5.2. ESTABILIZACIÓN Todo puente metálico al ser cargado por primera vez suele responder con una deformación instantánea que puede aumentar con el tiempo hasta estabilizarse debido a la posible existencia de tensiones residuales, especialmente en uniones soldadas, que tienden a estabilizarse prácticamente de forma inmediata. La consideración de que la estructura ha estabilizado responde al criterio de considerar que los incrementos de medida en un periodo pequeño de tiempo son un porcentaje muy pequeño de la deformación total, o que dichas variaciones son del orden de la precisión de los aparatos de medida. En el caso de los puentes metálicos este periodo de estabilización suele ser muy pequeño en comparación con el caso de los puentes de hormigón. La normativa no especifica nada al respecto, por lo que, como regla de buena práctica, pueden seguirse los criterios que para estructuras metálicas o mixtas se incluyen en el apartado correspondiente a puentes de carretera. 5.5.3 REMANENCIAS Los valores remanentes, es decir, las deformaciones, desplazamientos, giros, etc., que se mantienen en la estructura una vez descargada ésta, se considerarán aceptables siempre que sean inferiores a los límites previamente establecidos en el proyecto de la prueba. Para puentes metálicos, a título orientativo y a falta de otros criterios, se puede considerar un valor límite del 10%. Si este límite no se supera, se considerará la remanencia admisible. Si se supera sin llegar al 20% se repetirá el ciclo de carga y si se supera el 20% se suspenderá la prueba. 5.5.4 CRITERIOS DE ACEPTACIÓN Además de los criterios expuestos referentes a la estabilización de las medidas y a los

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valores remanentes, se deben tener en cuenta los criterios de aceptación que deben estar definidos en el Proyecto de la Prueba de carga respecto de los valores alcanzados, junto con los valores esperados para las medidas. Para las medidas que se obtienen en los sensores dispuestos para analizar el comportamiento global del puente, a falta de otro criterio, puede aplicarse que los valores de las magnitudes máximas medidas al finalizar el ciclo de carga, después de la estabilización, no deben superar el 10% de los valores previstos en el proyecto de la prueba. Para los registros que tratan de comprobar el comportamiento local de ciertos elementos de la estructura, los criterios de aceptación son diferentes y deben estudiarse a posteriori, en gabinete, incluyéndose su análisis en el Informe de Resultados de la Prueba de carga. En referencia al borrador de la Instrucción sobre Inspecciones y Pruebas de Carga en Puentes de Ferrocarril, éste establece 10 siguiente: - En cuanto a la relación entre las flechas máximas medidas y las previstas en el proyecto de la prueba: •

Será mayor del 80%

•

Menor del 115% en puentes de hormigón armado o mixtos

•

Menor del 11 0% en puentes de hormigón pretensado o metlicos

- En cuanto a las remanencias, expresadas como porcentaje respecto de los máximos medidos en el escalón de carga que se esté considerando, deberán cumplir: •

Menores del 20% en puentes de hormigón armado

•

Menores del 15% en puentes de hormigón pretensado y mixtos

•

Menores del 1 0% en puentes metálicos

En caso de no cumplirse las limitaciones anteriores se determinarían y, en su caso justificarían, los motivos de la discrepancia en el informe de la prueba. La citada Instrucción establece que en los ensayos dinámicos se evaluará como mínimo: la frecuencia principal y la amplitud del modo principal obtenida durante la prueba (o del modo de vibración excitado con mayor energía), el amortiguamiento y el coeficiente de amplificación dinámica. La citada Instrucción establece que en los ensayos dinámicos se evaluará como mínimo: la frecuencia principal, la amplitud del modo principal obtenida durante la prueba (o del modo de vibración excitado con mayor energía), el amortiguamiento y el coeficiente de amplificación dinámica.

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5.6. INFORME DE RESULTADOS Una vez realizada la prueba de carga y el análisis de todos los resultados obtenidos en ella, se procederá a la emisión de un Informe de Resultados, en el que quede perfectamente establecido y documentado el análisis del comportamiento resistente del puente, incluyendo la recopilación de todos los trabajos anteriores, las conclusiones y en su caso las recomendaciones de actuación si proceden. Se estructurará por tanto en los siguientes apartados: - Objeto, antecedentes, finalidad y alcance. - Descripción de la obra. - Inspección preliminar, con descripción de daños y deficiencias encontradas. - Conclusiones del análisis del proyecto constructivo. - Descripción del plan de pruebas y resultados previstos. - Descripción del equipo y sistema de medidas. - Resultados obtenidos en las pruebas con inclusión de los gráficos relativos a todos y cada uno de los registros. - Análisis comparativo de resultados teóricos y experimentales para fijar la concordancia entre ambos y dictaminar sobre el comportamiento resistente real de la estructura. - Establecimiento de las conclusiones y recomendaciones finales relativas a la funcionalidad y grado de seguridad del puente, incluyendo recomendaciones de actuación para solucionar aspectos funcionales o de mantenimiento puestos de manifiesto. - Reportaje fotográfico para la visualización de las fases del ensayo, instrumentación realizada y daños o defectos más significativos. 5.7. EQUIPO TÉCNICO La singularidad de los trabajos que conlleva la realización de una prueba de carga de un puente metálico, exige para su realización un equipo multidisciplinar con amplia experiencia, altamente cualificado y con una formación técnica apropiada, además del apoyo técnico y el equipamiento necesario. Las figuras 5.1 y 5.2 recogen sendas pruebas de carga sobre puentes ferroviarios de celosía metálica.

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Figura 5.1. Primeras pruebas de carga sobre puentes de ferrocarril metálicos (Cortesía CEDEX)

Figura 5.2. Prueba de carga en un puente metálico de ferrocarril (Cortesía TIFSA)

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5.8. MODELO DE FICHA DE ACTA DE LA PRUEBA El borrador de la Instrucción relativa a las Inspecciones Técnicas establece una ficha modelo para el acta de la prueba ver figuras 5.3.1 y 5.3.2:

Figura 5.3.1 Parte delantera de la ficha modelo

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Notas.1.- Se debe incluir una hoja por cada 3 vanos. 2.- El tipo de prueba será: de recepción de obra nueva o puente en servicio. 3.- La compañía, organismo o ente será: DGF, RENFE, GIF, … 4.- El nombre será algún específico que pueda tener el puente ó como se le conozca. 5.- La referencia o identificación de inventario será la que cada ente disponga en su propia base de datos. 6.- Las condiciones atmosféricas serán las existentes durante cada una de las pruebas estáticas que se realicen. 7.- En el tipo de vehículo se explicará si es camión (y el nº de ejes) o si es locomotora, tolva. 8.- El peso unitario a reflejar en el caso de camiones será el tándem trasero y total. El peso total real de cada vehículo no se debe desviar más de un 5 % del previsto en el proyecto de la prueba. 9.- En la comparación de las solicitaciones entre las acciones de la Instrucción y la prueba estática se dará los porcentajes de las flechas máximas y los momentos flectores máxima en la sección central (si fuera en otra más desfavorable se debe reflejar) considerando las cargas permanentes y las sobrecargas. Este valor estará alrededor del 60 % y si tuviera que ser mayor del 70 % necesita ser justificado en el proyecto de la prueba. 10.- El sentido de circulación para las pruebas dinámicas estará referenciado en sentido creciente de los ppkk de la línea. 11.- En los horarios se reflejará la hora aproximada de las pruebas. Podrán coincidir en diferentes vanos cuando se instrumenten y se prueben en grupo. 12.- Como resultados en los criterios de aceptación de las pruebas figurarán la media de los porcentajes de los máximos valores netos por vano después de la estabilización respecto a los valores teóricos previstos en el correspondiente proyecto de la prueba. 13.- En el resultado de la prueba estática si las flechas máximas son < 60 % necesitan justificación en el informe correspondiente, > 60 % y < 110 % en puentes de hormigón pretensado y metálicos es Apto, > 60 % y < 115 % en puentes de hormigón armado y mixtos es apto y > 110 % en puentes de hormigón pretensado y metálicos ó > 115 % en puentes de hormigón armado y mixtos necesita justificación en el informe correspondiente. 14.- En el resultado de la prueba estática simplificada si, respecto a los resultados obtenidos respecto al vano al cual se haya asimilado una vez introducida la corrección debida a la diferencia de luces, las flechas máximas se desvían < 10 % es Apto y > 10 % necesita justificación en el informe correspondiente. 15.- En el resultado de las pruebas dinámicas no hay criterios de aceptación, por lo cual se reflejará la frecuencia propia de vibración comparándola con el primer modo de vibración calculado teóricamente en el proyecto de la prueba. 16.- Como resultados en los criterios de remanencia figurarán la media de los porcentajes de los máximos valores netos por vano después de la descarga respecto a los iniciales antes de la carga, si son > 80 % (en puentes de hormigón armado), > 85 % (en puentes de hormigón pretensado y mixtos) y > 90 % en puentes metálicos: Comportamiento elástico y en caso contrario necesita justificación en el informe correspondiente. 17.- En las observaciones se hará referencia, entre otras cosas, a la posición de los camiones durante la prueba respecto a lo previsto en el proyecto, y si se dispone, la comparación de la resistencia a compresión del tablero real respecto al previsto en los cálculos del proyecto constructivo.

Figura 5.3.2 Parte trasera de la ficha modelo

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6. Pruebas de carga de forjados

6.1 INTRODUCCION En este apartado se recogen los aspectos fundamentales en relación con la realización de pruebas de carga en forjados de edificación. Al contrario que en los casos de estructuras de puentes de carretera y de ferrocarril, no existe en España ningún reglamento que obligue a la realización de dichas pruebas ni antes ni después de la finalización de la obra. La realización de estos ensayos está entonces motivada por dos causas principales: a) Para obtener información experimental que permita estimar la capacidad resistente de un forjado que presente daños suficientes para hacer dudar de su seguridad: degradación de materiales, deformación excesiva, fisuración, daños por fuego, sismo, etc. b) Para determinar la idoneidad de la estructura frente a un cambio de uso que implique unas mayores cargas que aquéllas para las que inicialmente fue diseñada: es el caso frecuente de la reutilización de edificios de carácter monumental para museos, archivos, bibliotecas, etc. 6.2 OBJETO DEL ENSAYO El objeto del ensayo es determinar de forma experimental, mediante una prueba de carga, las acciones que una determinada estructura existente de hormigón armado o pretensado puede soportar en condiciones adecuadas de seguridad. 6.3. CAMPO DE APLICACIÓN El conjunto de reglas y recomendaciones recogidas en este documento son de aplicación al caso de evaluación de forma experimental de la capacidad portante de estructuras de edificación existentes de hormigón armado o pretensado, de las que se carece de datos de proyecto, resultando muy difícil la evaluación de su capacidad portante mediante métodos analíticos o que, existiendo un modelo teórico de análisis estructural, se pretende su contraste y calibración mediante análisis experimental.

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6.4. LIMITACIONES Las reglas y recomendaciones recogidas en este documento sólo serán de aplicación al caso de estructuras solicitadas fundamentalmente por esfuerzos de flexión, y ante la dificultad de realizar una evaluación de su capacidad portante por métodos analíticos. No son de aplicación estas recomendaciones para evaluar la capacidad portante de elementos sometidos fundamentalmente a esfuerzos de compresión o cortante. El tipo de pruebas carga consideradas en este documento son exclusivamente pruebas de carga estáticas, por lo que estas recomendaciones solo serán aplicables a dicho tipo de ensayo, no siendo válidas para la evaluación de la capacidad portante de estructuras en las que se sospeche que su comportamiento frente a vibraciones u otras solicitaciones dinámicas sea limitativo. También hay que indicar la peligrosidad y la inconveniencia del empleo de este método de evaluación de la capacidad portante en estructuras en las que se sospeche que pudiera presentarse un proceso de rotura frágil. 6.5. PLANTEAMIENTO DE LA PRUEBA El objetivo de la prueba de carga es obtener una estimación de la capacidad portante de la estructura de forma experimental. Dicha prueba de carga constituye un ensayo a realizar sobre una estructura existente, aplicando unas acciones (cargas de la prueba) y determinando y analizando la respuesta de dicha estructura ante las acciones aplicadas, a través de la medida de una serie de magnitudes (deformaciones, corrimientos, etc) en una serie de puntos críticos de la estructura, (en donde se considera que se alcanzaran los mayores esfuerzos). El criterio básico de diseño de la prueba estará basado en la determinación de la carga máxima experimental bajo la cual se cumplen unas determinadas condiciones que pretenden asegurar la adecuada situación de la estructura frente al estado límite último, en el estado de conservación en que se encuentre. Teniendo en cuenta que resultan desconocidos los esfuerzos producidos en la estructura por otras acciones distintas de la sobrecarga de prueba, se ha optado por definir la capacidad portante de la estructura en términos de la máxima sobrecarga de uso de igual naturaleza a la aplicada durante el ensayo, que de acuerdo con los resultados de dicho ensayo, puede ser soportada por la estructura en condiciones adecuadas de seguridad. Estas condiciones de seguridad, en cualquier caso, no resultan evaluadas cuantitativamente a través de la prueba. El criterio de establecimiento de la sobrecarga de uso admisible, está orientado a garantizar un adecuado nivel de seguridad respecto al estado límite último. La realización de la prueba ha de encargarse a personal cualificado, al frente del cual figurará un técnico debidamente cualificado y especializado en este tipo de trabajos, que será el técnico responsable de la prueba. 6.5.1. PROYECTO DE LA PRUEBA DE CARGA Previamente a la realización de la prueba de carga, es necesario redactar un proyecto de la misma, que debe ser llevado a cabo por un técnico cualificado, (frecuentemente es el mismo técnico responsable de la prueba) y que ha de incluir al

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menos los siguientes aspectos 1) Descripción detallada del elemento a ensayar. 2) Recopilación de la información existente sobre el elemento a ensayar. 3) Ensayos complementarios de información a realizar, previos al ensayo, si ello fuera necesario. 4) Finalidad y alcance de la prueba de carga a realizar. 5) Definición de la Carga de Ensayo límite alcanzable durante la prueba, del número de escalones en que se alcanzará dicha carga, y la cuantía de carga de cada uno de dichos escalones. 6) Descripción detallada y justificada del número y situación de los puntos de medida, de la magnitud a medir en cada uno de ellos y del grado de precisión requerido en la medida de dichas magnitudes. 7) Definición de la frecuencia con que se han de realizar las lecturas en cada uno de los puntos de medida. 8) Definición de las observaciones adicionales que sea necesario llevar a cabo bajo cada escalón de carga, (existencia y/o aparición de fisuras, variación de su geometría, etc). 9) Descripción detallada y justificada de la instrumentación a colocar en cada uno de los puntos de medida, indicando la resolución mínima y el rango necesario para cada uno de los distintos aparatos a utilizar. 10) Definición de los medios para materializar la carga y de la forma de aplicación de la misma. 11) Descripción detallada y justificada de las medidas de seguridad a emplear durante la realización del ensayo 6.5.2. CARGA DE ENSAYO A APLICAR El objeto del ensayo es establecer un valor de la sobrecarga de uso para el cual la estructura presenta, según la comprobación experimental, un nivel de seguridad y unas condiciones de utilización adecuadas. La Carga de Ensayo Límite a aplicar durante la prueba viene definida como la suma de las sobrecargas de uso previstas para el elemento en ensayo y de las cargas permanentes y sobrecargas simuladas. En el caso de que la prueba de carga se vaya a realizar antes de la colocación de determinadas cargas permanentes, (p.e. solado), o sobrecargas, (p.e. tabiquería), que posteriormente actuarán sobre el elemento en ensayo, se simularán dichas cargas mediante una sobrecarga suplementaria a añadir a la sobrecarga de uso. Dicha Carga de Ensayo Límite no debe ser sobrepasada durante la realización del ensayo en ningún caso y no debe ser confundida con la Carga máxima real alcanzada durante la prueba, que vendrá definida por el comportamiento del elemento a ensayar durante la prueba. Dicha Carga de Ensayo Límite, no será inferior en ningún caso a la sobrecarga de uso prevista para el elemento a ensayar ni superior al valor dado por la expresión siguiente: Q= 0,85*[ gg*(D1+D2)+ γq *(L1+L2+q)] – (D1+L1)

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Q= γg = tes. γq = D1= D2= L1= L2= q=

Carga de Ensayo Límite. 1,35, coeficiente de mayoración de acciones frente a cargas permanen1,5, coeficiente de mayoración de acciones frente a sobrecargas Carga permanente presente en el momento del ensayo (incluyendo peso propio). Carga permanente no presente en el momento del ensayo y que por tanto se simula durante el mismo. Sobrecarga (tabiquería) presente en el momento del ensayo. Sobrecarga (tabiquería) no presente en el momento del ensayo. Sobrecarga de uso prevista para el elemento a ensayar.

6.5.3. SISTEMA DE MEDIDA 6.5.3.1. Magnitudes a medir Las magnitudes distintas a medir durante la prueba de carga serán función de la cantidad de información que se desee obtener de la misma y vendrán dadas por los datos disponibles sobre el elemento en ensayo. Menor cantidad de datos disponibles supondrá una mayor necesidad de obtención de datos experimentales. En general las magnitudes a medir durante una prueba de carga, (aunque como ya se ha señalado, siempre en función de la cantidad de información experimental que se necesite obtener de la misma), serán las siguientes: 1) Desplazamientos verticales y datos de la deformada bajo cada uno de los escalones de carga, en los distintos puntos de medida señalados en el proyecto. 2) Deformaciones unitarias en las fibras extremas del hormigón y/o en el acero, en las secciones más solicitadas, bajo cada uno de los escalones de carga. 3) Anchura de la abertura de fisuras y variación de dicha abertura a lo largo del ensayo. 6.5.3.2. Aparatos de medida En la definición de la instrumentación a colocar y de los sistemas de medida, hay que tener en cuenta los parámetros a medir, su orden de magnitud o intervalo de variación y el grado de precisión requerido. En todo caso la apreciación de los aparatos de medida de flecha no será inferior al 5% de la máxima flecha admisible en condiciones de servicio para el tipo de estructura de que se trate, definida por las Instrucciones vigentes. Los aparatos de medida que se suelen utilizar para la medida de las distintas magnitudes son los que se describen en el capítulo 7. Los soportes o elementos auxiliares sobre los que se han de instalar los aparatos de medida han de ser independientes de la estructura, y estar situados en puntos que no resulten afectados por los desplazamientos o giros del elemento a ensayar, debiéndose

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asegurar la inmovilidad de los puntos de soporte de los aparatos o, en su caso, realizar las medidas que permitan controlar sus movimientos respecto a las bases fijas de referencia. Tanto los aparatos de medida como los soportes deben estar protegidos de los agentes atmosféricos y de temperaturas ambientales extremas, debiendo realizarse las medidas siempre que sea posible en análogas condiciones ambientales. Todos los aparatos de medida de lectura manual deben tener fácil acceso para que su lectura resulte sencilla; en cuanto a los de lectura automática, es deseable que las unidades de lectura tengan fácil acceso y estén agrupadas en una posición central. 6.5.3.3. Elementos de seguridad Para evitar riesgos innecesarios durante la ejecución de la prueba es preciso disponer bajo la zona de ensayo un apeo de seguridad que no debe influir sobre el libre movimiento del elemento a ensayar ni sobre los aparatos de medida. Si para materializar la carga sobre el elemento a ensayar se disponen balsas de agua, ante las eventuales fugas de las mismas es necesario asegurar que el agua no entre en contacto con el cableado de la instalación eléctrica, para evitar cortocircuitos u otros posibles accidentes. En el caso de que se empleen sistemas de carga que precisen de elementos de reacción (contenedores neumáticos y gatos hidráulicos), debe justificarse que su seguridad sea suficiente, utilizando los elementos de seguridad adecuados. 6.6. REALIZACIÓN DE LA PRUEBA La ejecución de la prueba de carga de un forjado engloba una serie de pasos que se detallan a continuación: 1º : Disposición y comprobación de los aparatos de medida, de los sistemas de aplicación de la carga y descarga y de los elementos de seguridad. 2º : Lectura en vacío y aplicación del escalón de carga previo (a definir más adelante). 3º : Lectura del desplazamiento vertical instantáneo producido por el escalón de carga previo. 4º : Lectura del desplazamiento vertical producido por el escalón de carga previo tras la estabilización. 5º : Lectura de los aparatos de medida. 6º : Aplicación del primer escalón de carga. 7º : Lectura del desplazamiento vertical instantáneo producido por el escalón aplicado.

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8º : Lectura de estabilización bajo la carga del escalón (transcurrido el tiempo de estabilización). 9º : Repetición de los pasos 6º a 8º para los distintos escalones de carga previstos hasta alcanzar la Carga Máxima de Ensayo, o el valor de carga compatible con las condiciones de seguridad del ensayo. 10º :Descarga desde la carga máxima alcanzada, de los distintos escalones de carga aplicados, (incluyendo el escalón de carga previo), con toma de lecturas después de la descarga de cada escalón. 11º :Lectura final tras la descarga total del elemento ensayado. 6.6.1. ACTUACIONES PREVIAS Previo al inicio de la ejecución de la prueba debe controlarse y comprobarse la disposición y funcionamiento de los aparatos de medida, de los elementos de seguridad y de los aparatos de aplicación de las cargas si los hubiere. Para tener en cuenta la incidencia de las condiciones ambientales durante la ejecución de la prueba, ha de controlarse la variación de las mismas a lo largo del proceso de ensayo disponiendo un aparato de registro continuo, o tomando lecturas a intervalos de una hora de dichos parámetros ambientales. Previo al inicio de la prueba ha de inspeccionarse con detalle el elemento a ensayar, anotando las posibles incidencias, fisuras, defectos existentes y su correspondencia con los datos previos recogidos en el proyecto de la prueba. Hay que tener en cuenta la posible presencia de tabiquería bajo la zona de ensayo, en cuyo caso habría que proceder al degüello de la misma a fin de que no colabore resistentemente con el forjado ensayado. 6.6.2. MATERIALIZACIÓN DE LA CARGA En ningún caso debe efectuarse la prueba de carga sobre el elemento a ensayar antes de que el hormigón alcance la resistencia especificada en proyecto o, si no existe dicha especificación, no debe realizarse antes de los 56 días de edad (EHE). Dicha carga ha de aplicarse sin golpear la estructura, evitando vibraciones, punzonamientos y la formación de arcos de descarga en los elementos usados para materializar la carga. La materialización de la carga puede realizarse con los siguientes elementos: - Balsas de agua. - Acopios de sacos de arena u otro material no higroscópico de peso previamente conocido. - Contenedores neumáticos. - Gatos hidráulicos. - Camiones u otro tipo de vehículos pesados. La aplicación de las cargas sobre el elemento a ensayar debe ser supervisada por personal técnico debidamente cualificado, y en el caso de que se empleen sistemas de

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carga que precisen de elementos de reacción (contenedores neumáticos y gatos hidráulicos), debe justificarse que su seguridad sea suficiente y que no inciden en el desarrollo del ensayo. 6.6.3. APLICACIÓN DE LAS CARGAS Tras las comprobaciones iniciales se realizará una lectura en vacío (lectura cero o de referencia) y, a continuación, se procederá a la aplicación del escalón de carga previo, Aplicación del escalón de carga previo Si en el momento de realizar la prueba de carga no está actuando sobre el elemento a ensayar la totalidad de las cargas permanentes y de las sobrecargas (tabiquería) previstas, la fracción de las mismas que no incide constituye la porción de cargas a simular en el escalón de carga previo. El periodo durante el que esta carga debe mantenerse previamente a la realización de la prueba de carga debe ser estimado de acuerdo con el material de la estructura, el tipo estructural y la experiencia. La norma ACI 437R [9] lo estima en 48 horas, aunque la práctica habitual es mantener la carga previa durante 24 horas. Esta carga debe mantenerse hasta que la prueba haya sido finalizada, siguiendo el criterio que se indicará más adelante, en cuanto a estabilización de las medidas. Inmediatamente después de la aplicación de dicho escalón de carga se tomará una lectura instantánea de los desplazamientos verticales registrados en los distintos puntos de medida, repitiéndose dicha lectura con intervalos de diez minutos hasta comprobar la estabilización de los desplazamientos verticales con el criterio que se indicará más adelante. A las 48 horas de aplicación de la carga, se tomará una nueva lectura de los desplazamientos verticales en los distintos puntos de medida, previamente a la aplicación del resto de escalones. En cualquier caso, no se procederá a realizar ningún incremento de carga hasta que los desplazamientos verticales debidos al escalón previo no estén estabilizados, y se hayan observado las fisuras y otros defectos existentes. Aplicación de los escalones de carga La Carga Máxima de Ensayo a aplicar durante la prueba (diferencia entre la Carga de Ensayo Límite definida anteriormente y las sobrecargas aplicadas en el escalón previo), ha de aplicarse en escalones de carga, preferiblemente de la misma magnitud. El número de escalones es cuestión de criterio, especificándose en la EHE un mínimo de 4. Previamente a la aplicación del primer escalón de carga se tomará una lectura de desplazamientos verticales en los puntos de medida definidos (dicha lectura se corresponde con la lectura a realizar cuarenta y ocho horas después de la aplicación del escalón de carga previo). A continuación se procederá a aplicar la carga correspondiente a dicho primer escalón. Después de colocada la carga correspondiente al escalón, se tomarán lecturas en el instante de terminar el proceso de carga y posteriormente con intervalos de diez minutos, hasta comprobar la estabilización de los desplazamientos verticales, con un máximo de dos horas después de la aplicación del escalón.

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Se considerará que los desplazamientos verticales están estabilizados cuando, en un intervalo de diez minutos, el incremento de desplazamiento vertical no supere el 10% del incremento medido en el escalón de carga aplicado. Una vez alcanzado este valor estabilizado (lectura de estabilización), se marcará y se anotará cualquier fisura o defecto que se haya podido apreciar. A partir de aquí se irán aplicando los escalones de carga sucesivos hasta el total de escalones de carga a aplicar, con los criterios de estabilización indicados, hasta alcanzar la Carga Máxima de Ensayo definida anteriormente, o la carga compatible con las condiciones de seguridad del ensayo, en el caso de que se haya detenido la prueba tras la aplicación de un escalón, debido a deformación excesiva o a fisuración u otro tipo de daños que aparezcan durante el ensayo. Una vez alcanzada la Carga Máxima de Ensayo y tras la lectura de los desplazamientos verticales pertinentes, se mantendrá dicha carga aplicada durante al menos 24 horas (ACI, EHE), tomando lectura de desplazamientos verticales tras ese periodo, obteniéndose así el valor del máximo desplazamiento vertical alcanzado en el ensayo. Durante todo el proceso de carga, en todos los puntos críticos de medida, se han de obtener las curvas carga-desplazamiento vertical que se están produciendo. Dichas curvas permiten observar la respuesta de la estructura ante las cargas aplicadas y determinar si existen indicios de que la misma está en una fase próxima a la aparición de daños irreversibles o, incluso, del inicio del colapso de la obra. En el caso de que en el transcurso del ensayo se alcanzasen los límites de deformación establecidos en la Instrucción vigente (en el momento de la elaboración de este documento, la EFHE 2003) debería pararse la prueba. Descarga del elemento ensayado Una vez alcanzada la Carga Máxima de Ensayo, se procederá a la descarga de la misma, bien siguiendo los mismos escalones de carga aplicados o bien, como es más frecuente, de una sola vez, procediendo a continuación a la descarga del escalón de carga previo, tomando lecturas de desplazamientos verticales antes y después de retirar cada escalón de carga. Las lecturas finales de desplazamientos verticales se tomarán hasta 24 horas (EHE) después de que se haya retirado la carga total de ensayo aplicada sobre la estructura, aunque es norma de buena práctica dar por finalizadas las lecturas en un plazo menor si la estructura ha recuperado aceptablemente la deformación medida bajo carga, siguiendo los mismos criterios especificados en 3.3.2 para puentes de carretera. 6.6.4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.6.4.1. Criterios de aceptación de la prueba El ensayo finalizará, una vez que se haya alcanzado la Carga Máxima de Ensayo, tras la descarga total de la estructura y la toma de las lecturas finales. El ensayo también finalizará si durante la aplicación de los escalones de carga la respuesta del elemento ensayado no indica un comportamiento elástico, o no se consigue la estabilización de las lecturas de desplazamientos verticales.

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La comprobación experimental de la capacidad portante de la estructura busca determinar si, bajo las cargas alcanzadas, dicha estructura presenta un adecuado margen de seguridad frente al estado límite último, lo cual se trata de asegurar estudiando si se mantiene en un régimen de trabajo sensiblemente elástico. De acuerdo con ello, el criterio para el examen de resultados se basa en la flecha remanente producida al finalizar el ensayo, y como criterio previo anterior, el relativo a la flecha máxima alcanzada en el ensayo (siendo flecha igual a desplazamiento vertical, en cuanto a terminología). Así, de acuerdo con estas indicaciones, para considerar la prueba de carga como válida, y por tanto que la estructura ha superado el ensayo, han de cumplirse las siguientes condiciones (EHE): 1) La estructura no presenta signo visible alguno de fallo o rotura (fisuración excesiva, grietas, descantillamientos). 2) Se satisface una cualquiera de las siguientes limitaciones: a) La flecha máxima medida (suma de la medida en el escalón previo y la correspondiente al total de escalones de cargas aplicados), es inferior al valor: f = Lt2/ (20.000*h) siendo: f = Flecha máxima Lt = Luz entre apoyos o luz de calculo del elemento estructural sometido a la prueba de carga. h = Canto total del elemento estructural. b) La recuperación de la deformación, después de 24 horas de retirada la carga de ensayo, debe ser mayor del 75 % de la máxima flecha medida en caso de una estructura de hormigón armado o del 80% en el caso de una estructura de hormigón pretensado. La anterior limitación a) de flecha máxima viene históricamente establecida para no penalizar indebidamente estructuras muy rígidas, en las que las remanencias no pudieran medirse con la suficiente precisión. Se considera, por tanto, que dicha limitación sólo debería aplicarse a estos casos. En cualquier otro caso, el criterio b) es más adecuado y garantiza la comprobación de un funcionamiento del forjado sensiblemente elástico. En el caso de elementos estructurales de hormigón armado, si no se cumpliera ninguna de las dos limitaciones anteriores y siempre que no se hayan producido daños o síntomas de “fallo”, se podría efectuar un segundo ensayo de prueba de carga, previa autorización del técnico responsable de la prueba, dejando transcurrir 72 horas, como mínimo, después de retirada la carga correspondiente al primer ensayo. Dichos ele-

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mentos se considerarán satisfactorios, sí tras el ensayo: 1) No se presentan evidencias visibles de fallo. 2) La recuperación de la deformación causada es como mínima del 80% de la flecha máxima medida en el segundo ensayo. Respecto a los elementos estructurales de hormigón pretensado que no satisfagan las limitaciones indicadas anteriormente, en ningún caso se volverán a ensayar. Sobrecarga de uso admisible En el caso de resultado de ensayo positivo, la Sobrecarga de uso admisible para el elemento ensayado será la contemplada al calcular la Carga de Ensayo Límite. 6.7. INFORME DE LA PRUEBA Tras la finalización de la prueba de carga se procederá a la redacción del informe de la prueba, que debe reflejar al menos los siguientes aspectos. - Definición del lugar, fecha y hora de inicio y de finalización de la prueba, con indicación de los asistentes a la prueba. - Referencia al proyecto de prueba de carga del forjado si lo hubiere, con indicación de fecha, autor, etc, o justificación de la carga de ensayo límite aplicada durante la prueba. - Descripción del forjado ensayado y de los resultados de la inspección preliminar realizada al forjado previamente a la realización de la prueba. - Descripción de los equipos de medida utilizados, definiendo número de aparatos utilizados, situación de los aparatos de medida, rangos y precisión de los mismos, magnitudes medidas, así como sus códigos de referencia (si existe un sistema de calidad que así lo exige), para asegurar la trazabilidad del sistema de medida. - Descripción de las sobrecargas utilizadas para materializar la prueba y los distintos estados de carga aplicados al forjado durante la misma. - Información sobre el desarrollo de la prueba, (horas de comienzo y finalización de cada estado de carga, tiempo de estabilización, número de escalones aplicados, etc). - Registros detallados de las magnitudes medidas durante la prueba, incluyéndose diagramas cargas aplicadas-flechas medidas en los distintos aparatos de medida. - Análisis de los resultados, comparando los valores teóricos previstos con los

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valores reales medidos en cada uno de los puntos de medida, análisis de las recuperaciones obtenidas en dichos puntos de medida, valoración del cumplimiento de los criterios de aceptación de la prueba. - Documentación fotográfica de la prueba, registros de temperatura y humedad ambiente. - Resultados de la inspección realizada con posterioridad a la prueba en el forjado ensayado.

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7. Instrumentación para pruebas de carga 7.1. INTRODUCCIÓN En las pruebas de carga, al igual que en toda actividad encuadrada dentro del Análisis Experimental de Estructuras, se pretende determinar el comportamiento resistente de una estructura o elemento estructural mediante la medida de una serie de magnitudes físicas que representan, por una parte, las acciones actuantes sobre la estructura, y por otra, la respuesta de la estructura frente a dichas acciones exteriores. En el caso más general, en el proceso del análisis experimental de una estructura se pueden distinguir dos partes bien diferenciadas: •

La aplicación sobre la estructura de unas acciones que se derivan, bien del propio proceso del análisis experimental (trenes de carga, excitadores dinámicos, etc), o bien del entorno de la estructura (viento, acciones sísmicas o térmicas, etc).

•

La medida de la variación en el tiempo de unas ciertas magnitudes físicas que representan la respuesta de la estructura a las acciones antes citadas, y cuyo análisis permitirá deducir su comportamiento resistente.

En el caso específico de las pruebas de carga las acciones sobre la estructura están representadas por los trenes de carga en el caso de puentes, o por la carga repartida en el caso de forjados. En estos casos los valores de las acciones son perfectamente conocidos en posición y magnitud, por lo que no será en general necesario disponer de instrumentación alguna para su medida. Para obtener información de la respuesta de la estructura a estos trenes de carga será necesario disponer de una serie de instrumentos de medida y de un sistema de toma o registro de datos. El presente apartado describe, de forma esquemática, el fundamento y utilización de alguno de los instrumentos usuales utilizados para medir las magnitudes corrientemente implicadas en el proceso de un ensayo de prueba de carga. Se comentan asimismo los métodos usuales para almacenamiento y registro de dichas magnitudes y se citan las ventajas e inconvenientes de la mayoría de los aparatos o sistemas de medida. 7.2. MAGNITUDES A MEDIR Las magnitudes a medir durante la realización de una prueba de carga de una estructu-

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ra dependerán de las características del ensayo (prueba de carga estática de recepción o de evaluación de capacidad portante, o prueba dinámica) y de la importancia y magnitud de la estructura y de los objetivos del análisis estructural que se desee realizar. No será lo mismo el caso de una prueba de carga estática para recepción de un pequeño puente de carretera que una prueba de carga de una estructura singular, o el análisis de la capacidad portante de una estructura para decidir su rehabilitación o su demolición. Las posibles magnitudes a medir en las pruebas de carga de tipo estático son: •

Desplazamientos verticales y horizontales.

•

Deformaciones en zonas críticas.

•

Presencia de fisuras y variación de sus espesores.

•

Giros en apoyos articulados y voladizos.

•

Movimientos en juntas.

En todos los casos se deberán determinar también los parámetros ambientales, fundamentalmente la temperatura, durante la ejecución de la prueba. En el caso de las pruebas de recepción es generalmente suficiente la medida de desplazamientos en un conjunto de puntos característicos de la estructura como suelen ser, en el caso de puentes, los centros y cuartos de la luz, las secciones y de apoyo en pilas y estribos. Se suelen determinar también posibles asientos y se observa el estado de fisuración de la obra antes y después de la prueba. Cuando se trata de determinar la capacidad portante de la estructura suele ser precisa la medida de deformaciones para poder determinar su estado tensional. 7.3. APARATOS DE MEDIDA. TRANSDUCTORES Un aparato de medida es un instrumento capaz de determinar los valores de una magnitud física mediante su comparación directa con unos ciertos patrones de medida, o mediante su conversión a otra magnitud física distinta (generalmente eléctrica) que permita establecer de forma más conveniente esta comparación. Dentro de los aparatos de medida, un transductor es un instrumento que transforma las variaciones de una magnitud física (deformación, desplazamiento, aceleración, etc) en variaciones proporcionales de una magnitud eléctrica. 7.3.1. MEDIDA DE DEFORMACIONES La deformación es la magnitud que mayor información proporciona en relación con la tensión existente en un punto de la estructura. Aunque existen numerosos sistemas para la medida de deformaciones, los más utili-

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zados en pruebas de carga son los siguientes: a) Extensómetros mecánicos b) Galgas o bandas extensométricas (strain gauges) c) Adaptación de transductores de desplazamiento d) Fibra óptica 7.3.1.1. Extensómetros mecánicos Como ya se ha comentado, estos extensómetros se basan en la medida de la variación de longitud de una base de medida L. Puesto que los valores de L que deben ser medidos son muy pequeños, los extensómetros de este tipo utilizan unos dispositivos mecánicos para lograr la amplificación de dicha variación de longitud de la base, y que pueda así ser detectada con precisión por el aparato. Los extensómetros mecánicos, por lo general, operan apoyándose sobre la estructura en dos puntos fijos que constituyen los extremos de la base de medida. Los más utilizados actualmente son los denominados de amplificación mecánica sencilla, que constan de un pivote fijo y otro móvil, midiéndose mediante un reloj micrométrico el movimiento de uno respecto de otro. Sus bases de medida oscilan entre 5 y 200 cm. Los extensómetros mecánicos son especialmente adecuados para medidas en obra de deformaciones sobre elementos de hormigón y sobre muros de ladrillo o mampostería, así como para la medida de abertura de fisuras. Ventajas •

Base de medida muy grande, lo que les hace adecuados para materiales heterogéneos (hormigón)

•

Un mismo aparato puede realizar medidas en un gran número de puntos

•

Robustez y ligereza del aparato

•

No se ve afectado por las condiciones ambientales

•

Estabilidad en medidas a largo plazo

Inconvenientes •

Lentitud de lectura

•

No es un transductor, por lo que no permite el registro ni la automatización de las lecturas

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•

No es apto para las medidas dinámicas

•

Es preciso el acceso al punto de medida cada vez que es necesario realizar una lectura

La figura 7.1 muestra un aparato de este tipo.

Figura 7.1. Extensómetro mecánico (Cortesía CEDEX)

7.3.1.2. Galgas extensométricas Se conocen con el nombre de galgas extensométricas o bandas extensométricas (strain gauges) a toda una serie de transductores de deformación basados en la variación de la resistencia eléctrica de un hilo conductor al ser sometido a una deformación. Fundamento Una galga extensométrica es un hilo o lámina de material conductor que, sólidamente fijado sobre la pieza en el punto y dirección en el que se quiere medir la deformación, se deforma con ella y traduce dicha deformación en una variación correspondiente de resistencia eléctrica susceptible de ser medida. La variación de resistencia viene dada por la expresión:

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ε K

α1 . ∆tº α2 . ∆tº β . ∆ tº ∆ tº R

α1, α2

= deformación debida a las acciones mecánicas = factor de gauge = deformación del hilo conductor debida al ∆tº = = = = =

“

de la estructura

“

variación unitaria de resistencia “ variación de temperatura en el punto de medida resistencia eléctrica del hilo de la galga coef. dilatación térmica de la galga y de la estructura, respectivamente

El factor de gauge K representa el factor de proporcionalidad entre la variación unitaria de resistencia y la deformación mecánica en ausencia de efectos térmicos. Suele tener un valor próximo a 2. El primer sumando del segundo miembro de la expresión anterior representa la variación unitaria de resistencia debida a las acciones mecánicas. El segundo sumando representa los efectos térmicos. Para su correcto funcionamiento como transductor de deformaciones, la banda extensométrica debe pegarse firmemente a la estructura para que las deformaciones de ésta se transmitan al hilo conductor. Tipología La gama de bandas extensométricas existente en el mercado es muy extensa, siendo las de hilo o lámina metálica las utilizadas en ingeniería civil. La base de medida de la galga suele ser de aproximadamente 1 cm para materiales metálicos y de más de 10 cm para hormigones. Ventajas e inconvenientes de las bandas extensométricas Ventajas • • • • • •

Gran sensibilidad y precisión en la medida Posibilidad de concentrar la medida en un entorno reducido de un punto de la estructura Posibilidad de la medida a distancia y su automatización Buena respuesta frente a efectos dinámicos y transitorios Pueden operar en condiciones de temperatura extremadas Bajo costo por punto de medida

Inconvenientes • • • •

Base generalmente pequeña para medidas en hormigón Sensibilidad del sistema a la humedad Poca estabilidad en medidas a largo plazo Necesidad de operarios especializados para su instalación

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Criterios básicos para seleccionar una banda Dada la gran variedad de galgas extensométricas que presentan los catálogos de las casas comerciales, será preciso tener en cuenta una serie de criterios que permitan elegir la banda y el pegamento más adecuados para una aplicación concreta. Se dan a continuación una serie de reglas que pueden ayudar a delimitar el grupo de bandas a utilizar: 1. Si la distribución tensional es conocida podrán utilizarse galgas unidireccionales; en caso contrario se utilizarán rosetas que permitirán la medida en tres o más direcciones. 2. El tamaño de la base de medida de la banda estará en consonancia con la pieza estructural a estudiar y con el gradiente de deformaciones de un punto a otro de la estructura. En piezas de hormigón se recomienda la utilización de bases de medida del orden de 3 a 5 veces el tamaño máximo del árido. 3. La banda, el soporte y el pegamento deben poder operar a los niveles de temperatura y deformación previstos en el ensayo. 4. Si se trata de ensayos de larga duración, hay que tener en cuenta los efectos de fatiga sobre soporte y pegamento. 5. Los materiales de la estructura, soporte y pegamento deben ser compatibles. La figura 7.2 muestra el esquema de la rejilla de una banda y la figura 7.3 una banda colocada sobre un elemento de hormigón.

Figura 7.2. Esquema de banda extensométrica de resistencia (Cortesía HBM)

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Figura 7.3. Banda extensométrica sobre hormigón (Cortesía CEDEX)

7.3.2. MEDIDA DE DESPLAZAMIENTOS Entre los aparatos de medida de desplazamientos utilizados en el Análisis Experimental de estructuras podemos encontrar instrumentos de dos tipos: • •

aparatos que dan la medida directa del desplazamiento por métodos ópticos o mecánicos. aparatos de tipo transductor que transforman las variaciones de desplazamiento en variaciones de una magnitud eléctrica.

7.3.2.1. Métodos ópticos, mecánicos y mixtos Aparatos topográficos Los teodolitos y niveles permiten la determinación de los desplazamientos sufridos por una estructura entre dos estados de carga. Los teodolitos permiten la medida de cualquier tipo de desplazamiento mientras que los niveles proporcionarán exclusivamente

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los desplazamientos verticales. La sensibilidad máxima de estos instrumentos suele ser de 0,01 mm; no obstante, la precisión real de la medida dependerá fundamentalmente de las condiciones de aplicación del sistema en cada caso concreto: distancia, visibilidad, efectos térmicos, etc. Relojes comparadores (flexímetros) Son sistemas mecánicos que transforman, convenientemente amplificado, el movimiento de un vástago en el giro de una aguja sobre una escala circular graduada . Aunque existe una gran variedad de modelos con distintos rangos y sensibilidades, los más utilizados en el análisis experimental de estructuras suelen tener rangos de 30 o 50 mm y sensibilidad de 0,01 mm. La figura 7.4 muestra uno con salida eléctrica.

Figura 7.4. Flexímetro con salida eléctrica (Cortesía CEDEX

Sistemas basados en láser Existen en la actualidad varios sistemas basados en la utilización de la luz coherente láser para la medida y registro de desplazamientos. En unos modelos los desplazamientos que pueden determinarse son exclusivamente verticales, mientras que en otros se pueden registrar todo tipo de desplazamientos. El sistema de medida se basa en la instalación de un emisor de luz coherente ligado,

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según los sistemas, bien al punto móvil en el que se desea medir el desplazamiento, o bien a un punto fijo de referencia situado fuera de la estructura. El rayo de luz incide sobre un elemento de recepción de tipo fotosensible que permite determinar electrónicamente las variaciones de posición del punto de incidencia. La resolución teórica suele ser de 0,1 mm, y el sistema permite el registro continuo del desplazamiento del punto. Las figuras 7.5 a y 7.5 b muestran un equipo.

Figura 7.5a. Sistema de medida de flechas con láser (Cortesía GEOCISA)

Figura 7.5b. Sistema de medida de flechas con láser (Cortesía GEOCISA)

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7.3.2.2. Transductores de desplazamiento Pueden ser de tres tipos distintos: Resistivos, Inductivos y Capacitivos Transductores de desplazamiento resistivos Están basados en la utilización de galgas extensométricas de resistencia eléctrica fijadas a un elemento (una ménsula o un aro metálico) que es obligado a deformarse por el desplazamiento de la estructura. Transductores de desplazamiento inductivos. LVDT Se basan en la variación de las características magnéticas de un circuito eléctrico en función del desplazamiento de un núcleo metálico o de uno de los devanados. Uno de los transductores inductivos más utilizados es el llamado LVDT. Las ventajas del transductor así constituido son, entre otras, la ausencia de rozamiento entre núcleo y bobinas debido a la no existencia de contacto físico; la hermeticidad de los devanados; la elevada resolución, dependiente de la electrónica exterior; la repetibilidad del cero y la insensibilidad a movimientos transversales. La figura 7.6 muestra algunos modelos de LVDT.

Figura 7.6. Transductores de desplazamiento LVDT de distintos rangos de medida (Cortesía CEDEX)

Transductores de desplazamiento capacitivos Se basan en el efecto de la variación de la capacidad de un condensador eléctrico al

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variar la distancia entre las placas o su superficie. Son transductores de gran sensibilidad pero de muy pequeño rango de medida. 7.3.3. MEDIDA DE GIROS Para la medida de giros se utilizan clinómetros. Los modelos clásicos son de burbuja con lectura manual o, basándose en las propiedades capacitivas, de burbuja con lectura automática. Otros modelos tienen un fundamento similar a los acelerómetros y miden la desviación de la vertical del eje activo de medida. Existen versiones uni, bi o triaxiales. La figura 7.7 muestra un clinómetro de tipo capacitivo.

Figura 7.7. Clinómetro capacitivo (Cortesía CEDEX)

7.3.4 MEDIDA DE ACELERACIONES Por lo general, el fundamento de los transductores de aceleración (acelerómetros) consiste en medir la aceleración de forma indirecta, midiendo las fuerzas de inercia que aparecen en una pequeña masa que forma parte del instrumento. Fuerzas de inercia éstas que tienen lugar al situar el aparato en un punto de la estructura sometido a aceleraciones en la dirección activa de medida del instrumento. Los acelerómetros suelen pertenecer a uno de los grupos siguientes: • •

Acelerómetros basados en bandas extensométricas Acelerómetros basados en el LVDT

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• •

Acelerómetros basados en piezoeléctricos “Acelerómetros basados en lazo de realimentación (servo-acelerómetros)

El esquema de todo acelerómetro consta de una masa, de un elemento tipo muelle (desplazamiento proporcional a la fuerza) y de un elemento de amortiguamiento viscoso (velocidad proporcional a la fuerza). La frecuencia propia del sistema así constituido debe ser varias veces mayor que la máxima frecuencia de interés contenida en el fenómeno vibratorio que se desea medir. La figura 7.8 muestra uno de estos transductores encapsulado para su utilización en campo.

Figura 7.8. Servoacelerómetro encapsulado (Cortesía CEDEX)

7.4. SISTEMAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS En las pruebas de carga y, en general, en los ensayos de análisis experimental sobre estructuras, la toma de datos de los distintos aparatos de medida utilizados se realiza por uno (o varios) de los métodos siguientes: 1) 2) 3) 4)

Lectura directa de los aparatos y anotación manual. Sistemas a través de tarjetas controladas por un ordenador. Sistema automático de conmutación autónomo. Registro gráfico o magnético.

Normalmente suele utilizarse un sistema mixto en el que algunas magnitudes se leen de forma directa o manual y otras son registradas o leídas de forma automática. En adelante, cuando se hace referencia en este apartado a los Sistemas de Adquisición de Datos, se está haciendo referencia a aquellos equipos necesarios para la realización del registro de lecturas de múltiples sensores de tipo “transductor eléctrico”, es

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decir, equipos cuya lectura se obtiene a través de la medida de las variaciones de unas señales eléctricas de salida. Este es el caso de sensores de desplazamiento de tipo potenciométrico o extensométrico, LVDT, galgas o bandas, clinómetros, fisurómetros, termohigrómetros, etc. Un Sistema de Adquisición de Datos (SAD) para la realización de ensayos de prueba de carga en estructuras debe permitir la adquisición, tratamiento y presentación de datos de un número mínimo de canales que la experiencia aconseja que no sea inferior a treinta y dos (32). Cada canal de lectura del equipo recibe, de forma completamente independiente, la señal de un sensor físicamente instalado para la medida de algún parámetro de la estructura, existiendo por tanto canales para la medida de desplazamiento, canales para la medida de deformaciones unitarias, canales para el seguimiento de movimientos en fisuras, etc. Se hará referencia, fundamentalmente, a los sistemas más utilizados en la actualidad que son los controlados totalmente por un ordenador PC y constituidos por una tarjeta de adquisición instalada en el propio PC o en un elemento auxiliar. Se hará también una breve referencia a los otros sistemas. Con independencia de los sensores, el esquema general que define un SAD comprende los acondicionadores de señal, la tarjeta de adquisición, el ordenador de control y los elementos auxiliares como el sistema de conexión, el cableado y los sistemas de alimentación ininterrumpida y protecciones eléctricas adecuadas.

7.4.1. ELEMENTOS BÁSICOS DE UN SISTEMA DE TOMA DE DATOS Acondicionadores de señal Los acondicionadores de señal de un SAD son tarjetas electrónicas que reciben las señales eléctricas analógicas a través del cable tendido hasta cada sensor instalado (potenciómetro, galgas, LVDT,...). Su misión es acondicionar o normalizar las señales de los diversos tipos de sensores que se miden, generando una señal eléctrica normalizada entre unos valores tipo de voltaje que son recogidos por la tarjeta de adquisición de datos. En general, consisten en sistemas modulares, que dependiendo de su distribución dentro de la arquitectura del sistema se definen como de tipo distribuido (si recogen las señales por grupos de puntos de medida) o de tipo concentrado (si recogen las señales de todos los sensores en un mismo punto). Es conveniente que cada acondicionador sirva, de forma completamente independiente, para un único sensor permitiendo ajustes de ganancia, margen de frecuencias y cero de salida. Los valores de ganancia responden a multiplicadores o divisores de la señal eléctrica con los que se ajustan los rangos de medida y precisión más adecuados. Los márgenes de frecuencia representan filtros a la señal eléctrica que se mide, evitando interferencias o ruidos de tipo eléctrico. Y por último, la función de cero de salida permite ajustar la lectura inicial de la señal eléctrica recibida del sensor, ampliando al máximo el rango de la escala eléctrica de medida. De esta forma se pueden definir equipos que se adapten a las necesidades concretas de cada estructura a controlar, seleccionando los sensores y acondicionadores más adecuados para la misma.

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Cada una de las tarjetas acondicionadoras de señal presenta las siguientes características o componentes que es interesante reseñar: -

Desde la tarjeta se alimenta eléctricamente al sensor, generando una tensión determinada. En general, se dispone de 2 hilos del cable tendido hasta cada sensor para alimentar y otros 2 hilos del cable para confirmar la tensión que le llega al equipo, permitiendo compensar las pérdidas eléctricas por longitud del tendido. Dependiendo del sistema de medida y del tipo de sensores elegido, se establecen distancias máximas de cableado entre sensores y tarjetas acondicionadoras, que en cualquier caso no deberían ser inferiores a 100 metros por cuestiones de operatividad.

-

La tarjeta incorpora un amplificador de la señal eléctrica de medida que recibe. Este debe ser un componente de alta precisión que además realice automáticamente las compensaciones necesarias de las posibles derivas del resto de los componentes de la electrónica. En algunos casos, dependiendo del tipo de prueba a realizar, dinámica o estática, las amplificaciones se llevan a cabo en corriente continua o alterna de “baja frecuencia” (< 1 KHz), respectivamente. De esta forma se evitan errores típicos de deriva que se observan en pruebas de tipo estático, debidas a variaciones térmicas en las electrónicas para corrientes continuas en las que las amplificaciones son muy elevadas.

-

Es conveniente que incorporen los componentes para efectuar lo que se denomina el “autocero” o “corrección de offset”. Es decir, recibida la señal eléctrica de lectura inicial se corrige hasta un valor tal que permita el máximo rango de medida de la tarjeta de adquisición. Cuando se le indica el autocero, se genera la tensión adecuada para que la salida de señal a la tarjeta de adquisición sea de cero voltios. En algunos casos, también se dotan de un ajuste fino de la ganancia para que al introducir un desequilibrio (dependiendo del valor seleccionado) se genere una tensión de salida de un voltaje determinado, permitiendo efectuar procesos de calibración de equipos de forma semiautomática en campo.

-

Los filtros hardware que incorporan las tarjetas acondicionadoras de señal son un elemento fundamental para eliminar “ruidos” eléctricos ajenos a la señal de la medida que se recibe del sensor. Estos mismos ruidos son los que en determinadas circunstancias aconsejan que la arquitectura de la red de medida sea de tipo distribuido, ya que una vez que la señal de entrada del sensor es acondicionada por la tarjeta, la señal de salida tiene un rango de voltaje mucho mayor y en consecuencia más inmune a las interferencias eléctricas exteriores. En un equipo de ensayo donde el interés se centra en la reproducción más exacta posible de la señal de medida que reproduce el comportamiento en el punto de control, no se debe olvidar que la máxima frecuencia que se va a medir debe ser al menos 3 veces menor que el valor del filtro elegido, para que las distorsiones en las medidas sean mínimas.

-

La denominada etapa de salida de la tarjeta acondicionadora de señal tiene como única misión dar suficiente potencia para enviar la señal a la tarjeta de

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adquisición de datos del ordenador de control, así como proteger contra eventuales cortocircuitos eléctricos en la red. -

Los chasis o armarios en los que se instalan las tarjetas acondicionadoras suelen llevar incorporada la fuente de alimentación general que genera, a partir de la alimentación del bus, las tensiones necesarias para el manejo de la electrónica de las tarjetas. Teniendo en cuenta la autonomía de la que se debe dotar un equipo de ensayo desde el punto de vista de la alimentación eléctrica, es importante indicar la necesidad de que en todo el proceso se optimice el consumo.

Tarjeta de adquisición de datos El SAD suele estar comandado por un ordenador de control que incorpora una tarjeta de adquisición de datos que recoge las señales eléctricas de cada uno de los sensores físicamente instalados, ya realizados los acondicionamientos de señal correspondientes. Como características generales que se deberán verificar en las tarjetas de adquisición de datos señalamos las siguientes: -

La velocidad de muestreo de la tarjeta indica el número de lecturas de la señal eléctrica que es posible realizar en cada uno de los sensores de la red de medida. Este factor suele ser determinante en el caso de la realización de ensayos de tipo dinámico, y no es tan decisivo en el caso de los registros para ensayos estáticos, donde velocidades de lectura de una muestra por segundo son fácilmente aplicables y alcanzables para cualquier tarjeta de tipo estándar. Desde el punto de vista dinámico, teniendo en cuenta que las frecuencias máximas normales encontradas en estructuras de puente no superan los 20 Hz, es conveniente muestrear a no menos de 5 veces la frecuencia mayor esperada, es decir, 100 Hz por canal; en el supuesto de que el número de canales totales fuese de 32, eso supondría una velocidad mínima de muestreo total de 3200 muestras por segundo, que es un valor fácilmente alcanzable por las tarjetas de adquisición que actualmente se comercializan.

-

Número de canales físicos de medida, es decir, el número de puntos de control que se pueden leer al mismo tiempo durante la realización de un ensayo. Para este aspecto no se debe olvidar la posibilidad de incorporar un multiplexor. Este dispositivo hardware permite que un mismo canal de medida de la tarjeta pueda realizar el registro de varios sensores de medida. En general, las tarjetas de adquisición se comercializan con configuraciones estándar de 16, 32 o 64 canales de medida.

-

Entradas digitales que permitan emplear sistemas de inicio/detención de ensayos de forma “automática”, mediante dispositivos tales como células fotoeléctricas, palpadores mecánicos, etc. Los sistemas de inicio/detención automática de ensayo (trigger) se pueden resolver independiente y redundantemente mediante algoritmos (tipo umbral o media larga/media corta) programados en el software de control.

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-

De la misma forma que las tarjetas acondicionadoras de señal incorporan ganancias de hardware para la amplificación o mejora de rangos y precisiones durante la medida de la señal eléctrica de los sensores, las tarjetas de adquisición de datos permiten ajustar ganancias programables mediante software. De esta forma, se puede aumentar la flexibilidad para mejorar las prestaciones en rango y precisión de las medidas.

-

El convertidor analógico/digital (A/D) de la tarjeta de adquisición de datos tiene como misión recibir la señal analógica acondicionada de los sensores de medida y transformarla en una señal digitalizada. Esta transformación puede ser más o menos precisa en función del número de bits del convertidor. En general y de forma estándar, se trabaja con convertidores A/D de 12 bits o de 16 bits, teniendo en cuenta que las tarjetas con mayor número de bits son más precisas, aunque suelen recoger un menor número de canales de medida y sus velocidades máximas de muestreo son igualmente menores.

Ordenador de control El ordenador de control es el elemento que realiza el registro, almacenamiento, tratamiento y la presentación de datos. En definitiva, es el componente del SAD que gestiona la adquisición de datos controlando el flujo de información que se recoge de la tarjeta de registro, normalmente instalada en una de sus ranuras libres. El registro de datos se lleva a cabo en el disco duro de la unidad y la presentación de la información por pantalla, generalmente. Las configuraciones actuales de ordenadores que se comercializan cumplen sobradamente con las características necesarias para comandar, gestionar y resolver una adquisición de datos de este tipo. Principalmente, la elección se debe centrar en factores de tipo más funcional que de capacidad o potencia; así pues, es importante atender a la durabilidad de componentes, estabilidad y fiabilidad de funcionamiento en condiciones ambientales normalmente “duras”, capacidad de disco duro para el almacenamiento de diferentes ensayos en diferentes localizaciones, facilidad de recuperación y copias de seguridad de datos de los registros mediante grabadora de CD o similar, etc. Elementos auxiliares Como elementos auxiliares del SAD se deben considerar una serie de componentes, que no siendo estrictamente fundamentales para la funcionalidad del sistema de adquisición, sí son importantes desde el punto de vista de la durabilidad y fiabilidad del equipamiento durante la realización de los ensayos. Entre estos se pueden señalar la interconexión, el cableado y los sistemas de alimentación eléctrica y protecciones. Todos los conectores, aéreos en terminales de cables o de chasis en paneles y sensores, que se empleen en el equipo de medida deben cumplir especificaciones que aseguren la fiabilidad de la conexión aún en situaciones ambientales adversas (lluvia, bajas temperaturas...). Se debe tener en cuenta que normalmente las instalaciones de control que se realizan para las pruebas de carga son provisionales, desmontándose al finalizar los ensayos, trasladándose a otra estructura y volviendo a repetir todo el pro-

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ceso. Ello conlleva consideraciones especiales en cuanto a facilidad de manejo, protecciones mecánicas de uso y posibles desgastes que puedan sufrir por el uso continuo, sin afectar a la calidad de la señal que se encargan de transmitir. El diseño del sistema de cableado debe ser versátil y flexible por cuanto se tendrá que adaptar a muy diferentes configuraciones de instrumentación. Igualmente debe contar con características especiales de durabilidad mecánica, facilidad de manejo de longitudes hasta 100 m de distancia por sensor y cumplir con requisitos de apantallamiento eléctrico de protección de la señal que transmiten frente a perturbaciones eléctricas. Es importante que el SAD cuente además con una unidad de sistema de alimentación ininterrumpida (S.A.I.) para prevención de fallos en el suministro eléctrico, que normalmente será mediante grupo electrógeno, con autonomía suficiente para permitir que el cierre de programas de control se realice de forma correcta sin perder información de los ensayos y, en última instancia, no dañar eléctricamente los componentes del sistema. La figura 7.9 muestra un esquema correspondiente a un sistema general de toma de datos. 7.4.2. RECOGIDA Y TRATAMIENTO DE REGISTROS Un sistema de adquisición de datos como el definido requiere necesariamente el empleo de un soporte software en el ordenador de control que sea capaz de recibir, ordenar y presentar, de forma rápida y sencilla en tiempo real, el volumen de datos que se genera a las velocidades de muestreo contempladas. En este sentido, es conveniente contar con una herramienta que realice las funciones de adquisición, registro y visualización de datos, utilizando entornos propios para este tipo de aplicaciones, especialmente diseñadas para el trabajo con sistemas de adquisición de datos y control de sensores con señal de salida eléctrica de instrumentación. Se debe contar con una estructura de programa eficaz para el cumplimiento de los objetivos marcados, referentes a rapidez en la gestión de datos y sencillez de manejo por parte del usuario. Normalmente corresponden a aplicaciones “personalizadas” en cuanto a visualizaciones, presentación de informes de resultados con determinados formatos, cálculo de parámetros significativos en tiempo real, fuente de decisión, etc. De esta forma, se podría definir, a rasgos muy generales, una posible estructura de software para la recogida y tratamiento de registros para el control y seguimiento de la instrumentación que se instala en los ensayos de prueba de carga con un esquema que comprendería los siguientes módulos: Gestión de configuraciones, Calibración, Adquisición, Edición de registros y Utilidades. La Gestión de configuraciones conllevaría la definición de la base de datos de los sensores que intervienen en un determinado ensayo de prueba de carga, contando con la posibilidad de definir sensores físicamente instalados o sensores calculados, que corresponderían a valores obtenidos a partir de la aplicación de funciones de cálculo en las que intervienen varios de los sensores físicos, como por ejemplo flechas netas,

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Figura 7.9. Esquema funcional de un sistema de toma de datos (Cortesía IIC)

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valores promedio de flecha de vano, valores de momentos de solicitación, rigidez real de tablero, etc. La base de datos incorporaría información relativa a identificaciones, nombre, tipo de sensor, inicialización, canal de medida usado, tarjeta de adquisición, valores previstos en el Proyecto de Prueba de Carga para cada fase de carga en el ensayo, valores máximos, etc. Cada sensor llevaría asociada una fórmula de cálculo, definida independientemente, que se aplicaría a la señal eléctrica de la medida de cada sensor para su conversión en unidades de ingeniería, y por tanto en valores realmente interpretables y entendibles por el usuario o Responsable de Ensayo. En la base de datos se incorporarían una serie de parámetros generales comunes a cualquiera de los procesos que se desarrollan en el programa, como por ejemplo porcentajes admitidos respecto a valores teóricos esperados, porcentajes admitidos para aceptar la estabilidad de incremento de magnitudes medidas, porcentajes admitidos para aceptar la recuperación de flechas o tensiones y valores máximos o mínimos para definir las escalas gráficas de las representaciones, tanto de las curvas que se generen en tiempo real como de las que pertenezcan a archivos históricos. El módulo de Calibración permitirá tomar lecturas de las señales eléctricas de los sensores previa aplicación de deformaciones o corrimientos conocidos, obteniendo de forma automática la relación entre unidades eléctricas y unidades de ingeniería en la instalación de campo. Este sistema de chequeo de la calibración permite verificar los factores de conversión de unidades eléctricas a unidades de ingeniería directamente en campo. Cuando los coeficientes se calculan en campo, quedan integradas todas las pérdidas o ganancias del sistema eléctrico por cualquier factor externo ambiental o eléctrico, o interno de tipo electrónico. El módulo de Adquisición controla la grabación de datos en los registros de histórico, definiendo el tipo de prueba (estática, dinámica), el nombre del fichero que se graba, el lugar de almacenamiento en el disco duro y la velocidad de muestreo. Así mismo, permitirá activar o desactivar los dispositivos de trigger hardware o software, configurar tiempos de evento, etc. Teniendo en cuenta que este tipo de sistema de adquisición de datos permite visualizar datos de los registros en tiempo real, numérica o gráficamente, se pueden generar pantallas de visualización de los ensayos en las que se presente información referente a identificación del punto de medida, lectura en unidades de ingeniería, porcentaje alcanzado sobre el valor teórico esperado durante la fase de carga, o porcentaje de recuperación en la fase de descarga, porcentaje de la pendiente para estabilización de lecturas en la fase de carga o descarga de acuerdo a la Normativa vigente, marcando valores de aviso o alarma en caso de que las lecturas adquiridas alcancen los valores previstos previamente calculados. El módulo de edición de registros permitirá editar archivos de los registros en forma numérica o gráfica, visualizando uno o varios sensores o valores de parámetros de cálculo más complejos. Al igual que en cualquier otro programa similar existirá la posibilidad de visualizar los valores y gráficos de pruebas realizadas con anterioridad en estructuras distintas, pudiendo establecer criterios comparativos, etc. Para la visualiza-

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ción de los gráficos se incorporarán herramientas de gran utilidad para efectuar preanálisis de resultados, tales como visualizar regiones ampliadas de las curvas de registro (zoom), o conocer los valores coordenados de un punto concreto. En este módulo de edición se incorporan herramientas de análisis más detallado tales como funciones estadísticas, posibilidades de realizar correlaciones o regresiones por diferentes algoritmos (potencial, exponencial o logarítmico), análisis de frecuencias de vibración, de coeficientes de impacto, etc. Finalmente, el módulo de utilidades estaría definido por diferentes herramientas necesarias en todo software, tales como comprobaciones de capacidades de disco, edición de agenda o notas durante los ensayos, etc. La figura 7.10 muestra un ejemplo de visualización de registros durante la prueba.

Figura 7. 10. Visualización de registros durante una prueba (Cortesía IIC)

7.4.3. SISTEMAS DE TOMA DE DATOS AUTÓNOMOS Con la misma filosofía del sistema descrito anteriormente existen sistemas autónomos que incluyen en uno o varios módulos las diferentes etapas ya comentadas: acondicionamiento, conmutación, conversión analógico/digital y almacenamiento. Los sistemas llevan microprocesadores que permiten la programación y ajuste de las

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características y secuencia de la toma de datos y son conectables a un ordenador para transferencia y análisis de datos. Asimismo admiten el control remoto. Estos sistemas tienden por lo general a ser utilizados para gran número de canales de medida y bajas frecuencias de muestreo (ensayos estáticos, seguimiento a largo plazo de obras, etc.) La figura 7.11 muestra uno de estos sistemas.

Figura 7.11. Sistema de conmutación automático (Cortesía HBM)

7.4.4. SISTEMAS DE REGISTRO Hace años, cuando no existían los ordenadores personales ni los sistemas de conmutación automática, la única forma de realizar toma de datos en los ensayos en los que se requiere el conocimiento de la historia temporal de la respuesta de la estructura, como es el caso de los ensayos dinámicos, era el registro analógico de las señales. Los registradores utilizados en los primeros ensayos de puentes metálicos de ferrocarril en España eran de tipo galvanométrico con registro sobre papel sensible a la luz ultravioleta. Sobre estos registros se medía directamente la amplitud y se estimaba cuando era posible la frecuencia de las señales. Actualmente los registradores en cinta magnética digital ofrecen unas grandes posibili-

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dades para el registro de la respuesta estructural en ensayos dinámicos. Tienen la ventaja de permitir largos registros, que serían necesarios para el análisis preciso en frecuencia de ciertas estructuras. Asimismo, en ensayos en los que los tiempos de trabajo deben ser muy cortos para no interrumpir la explotación de la estructura, como suelen ser los ensayos ferroviarios, el registro en cinta permite disminuir la posibilidad de errores e incidencias en la toma de datos (problemas de software, de disparo del sistema, de frecuencia de muestreo, de capacidad de registro en disco y otros imponderables usuales en el trabajo con PC). El registro en cinta permite además la reproducción posterior del ensayo en condiciones de laboratorio cuantas veces sea necesario, siendo lo habitual la transferencia de datos a un ordenador para su análisis completo. La figura 7.12 muestra un sistema basado en el multiplexado de señales y grabación digital PCM.

Figura 7.12. Sistema de grabación digital PCM

7.5. MEDIDAS EN ENSAYOS ESTÁTICOS Las posibles magnitudes a medir en las pruebas de carga de tipo estático son: •

Desplazamientos verticales y horizontales.

•

Deformaciones en zonas críticas.

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•

Presencia de fisuras y variación de sus espesores.

•

Giros en apoyos articulados y voladizos.

•

Movimientos en juntas.

•

Deslizamientos (vigas mixtas).

En todos los casos se deberán tener también en cuenta las condiciones ambientales tales como humedad y temperatura, especialmente esta última, durante la ejecución de la prueba. En el caso de las pruebas de recepción es generalmente suficiente la medida de desplazamientos en un conjunto de puntos característicos de la estructura, como suelen ser, en el caso de puentes, los centros y cuartos de la luz y las secciones de apoyo en pilas y estribos. Se suelen determinar también posibles asientos y se observa el estado de fisuración de la obra antes y después de la prueba. En el caso de tratar de determinar la capacidad portante de la estructura suele ser precisa la medida de deformaciones para poder determinar su estado tensional. MEDIDA DE DEFORMACIONES a) Estructuras de hormigón Los sistemas más adecuados para la medida de deformaciones durante las pruebas de carga en estructuras de hormigón son aquellos que permiten la utilización de bases de medida relativamente grandes (3 a 5 veces el tamaño máximo del árido). Se utilizan por ello los extensómetros inductivos y, si son pocos los puntos a medir, los extensómetros de tipo mecánico. Las galgas extensométricas en el caso de estructuras de hormigón presentan los problemas ya apuntados de heterogeneidad del material frente a bases de medida relativamente cortas, baja disipación térmica y presencia de humedad que puede provocar defectos de aislamiento. No obstante, dada la difusión general y la economía de este transductor, es el método habitualmente utilizado, aunque frecuentemente con resultados poco fiables. b) Estructuras metálicas El sistema ideal y más económico es la banda de resistencia eléctrica. Deben utilizarse preferentemente bandas autocompensadas (eliminan la deformación del propio material de la banda por efecto térmico) y conexiones que minimicen el efecto térmico en los cables (conexiones en 3 hilos), así como testigos de compensación para grupos de galgas situados en las mismas condiciones térmicas durante la realización en los ensayos. La calibración in situ del sistema galga-cable es fundamental para la obtención de resultados fiables.

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MEDIDA DE FLECHAS La medida de la flecha o desplazamiento vertical en un punto de la estructura se basa en la medida del movimiento vertical de dicho punto respecto de otro punto fijo de la propia estructura, o, como es lo más corriente, exterior a ella. El principal problema de la medida de flechas es conseguir el citado punto fijo de referencia, ya sea porque dicho punto no es realmente fijo, o porque su acceso es difícil. En el caso de los puentes, la referencia fija la proporciona el terreno circundante al puente, aún cuando en muchos casos no es posible su utilización. Algunos de los métodos más frecuentemente empleados para la medida de flechas son: a) Métodos que utilizan transductores de desplazamiento Todos los métodos que utilizan algún sistema de medida de desplazamientos mediante alguno de los transductores de esta magnitud vistos anteriormente, así como los que utilizan relojes comparadores, precisan de un punto fijo de referencia situado en las proximidades de la vertical del punto de la estructura donde se desea medir la flecha. Por ello casi todos los sistemas de este tipo, en el caso de medida de flechas en puentes, sitúan el punto de referencia en el terreno situado bajo el tablero, o, en el caso de forjados, en el forjado inferior al ensayado, en este caso teniendo siempre presente los posibles movimientos de este forjado inferior. Aparte de la naturaleza del transductor de desplazamiento, es la forma de conectar el punto de medida sobre la estructura y el punto de referencia en el terreno lo que diferencia unos sistemas de otros. Todos estos sistemas son útiles en tanto en cuanto la altura del punto de la estructura sobre el terreno no sea excesiva (en los sistemas de cable puede llegarse a los 20-25 m) y siempre que no existan vientos fuertes durante el ensayo ni variaciones térmicas importantes. b) Métodos topográficos. Nivelación Si el terreno situado bajo el tablero de un puente es impracticable, ya sea porque el puente está situado sobre una corriente de agua, sobre una vía de tráfico o porque su altura es excesiva para la utilización de otros sistemas, se suele recurrir a métodos topográficos utilizando niveles de alta precisión con micrómetro. Estos niveles se sitúan, preferentemente, en el terreno circundante al puente en la zona próxima a los estribos. No obstante, lo más frecuente es que en puentes de luces medianas y grandes, o en el caso de puentes de varios tramos, la distancia de nivelación se hace excesivamente grande para la precisión que se desea obtener, por lo que, aún no siendo la situación ideal, es preciso colocar estaciones de nivelación dentro del puente, normalmente sobre pilas y estribos. Las lecturas se realizan sobre unas regletas sujetas a unos elementos de fijación sobre el punto del tablero en el que se pretende medir la flecha.

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A veces, debido a la longitud de los vanos y al efecto de la pendiente longitudinal y transversal del tablero, es preciso situar los niveles dentro del propio vano, por lo que estarán sometidos a desplazamientos verticales y será preciso corregir las lecturas mediante lecturas adicionales realizadas sobre regletas de referencia situadas en puntos realmente fijos. El sistema de nivelación es económico y de rápida y sencilla instalación, pero tiene el inconveniente de que para distancias de lectura por encima de los 30 metros es menos preciso que otros métodos. La precisión depende también de forma fundamental de las condiciones ambientales en las que se realiza la prueba: lluvia, niebla, iluminación, viento, etc. c) Otros métodos Otros sistemas de medida de flechas menos frecuentemente utilizados son los de nivelación mediante vasos comunicantes, que se ha empleado sobre todo en medidas a largo plazo, y los sistemas mediante luz láser. 7.6. MEDIDAS EN ENSAYOS DINÁMICOS SISTEMAS DE MEDIDA Y REGISTRO Los instrumentos de medida en los ensayos dinámicos deben ser de tipo transductor, es decir, deben producir una señal eléctrica que varíe en el tiempo de la misma forma que la magnitud física a medir. Las señales deberán además poder ser almacenadas para su posterior análisis, ya que normalmente no es posible llevarlo a cabo en tiempo real, esto es, en el mismo momento del ensayo. Las magnitudes que normalmente se miden en un ensayo dinámico son: •

desplazamientos y deformaciones

•

velocidades y aceleraciones

•

fuerzas

El que se midan unas u otras magnitudes dependerá del tipo de parámetros que se pretenda obtener con el ensayo; así, si se desea obtener el incremento dinámico, es decir, la relación entre la máxima amplitud de la respuesta dinámica de la estructura al paso de un vehículo a una cierta velocidad y la amplitud de la respuesta estática frente a la acción de ese mismo vehículo, las magnitudes a medir serán deformaciones o desplazamientos. Si lo que se desea conocer son los modos de vibración del tablero con sus frecuencias propias, bastará medir aceleraciones o velocidades. Medida de deformaciones Para la medida de deformaciones se suelen utilizar galgas extensométricas de resistencia.

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Medida de desplazamientos Se suelen utilizar transductores inductivos (LVDT), capacitivos, sistemas basados en galgas extensométricas o, para grandes alturas, sistemas basados en láser. Medida de aceleraciones Se suelen utilizar acelerómetros piezoeléctricos o en lazo de realimentación (servoacelerómetros). Normalmente las señales se almacenan sobre soportes magnéticos: cintas, discos u otro tipo de memorias, lo que permite su posterior reproducción en laboratorio para su análisis. BIBLIOGRAFÍA [1] Instrucción de Hormigón Estructural EHE. Ministerio de Fomento. Serie Normativa, 1998 [2] American Concrete Institute: Report 437R-67 (Revised 1982) “Strength evaluation of existing concrete buildings”. ACI 1982. [3] Grupo Español del Hormigón: Boletín nº 1 “Evaluación de la capacidad portante de estructuras mediante pruebas de carga”. GEHO, diciembre 1988. [4] Instrucción sobre las acciones a considerar en el proyecto de puentes de carretera (IAP). Ministerio de Fomento. Serie Normativa, 1998. [5] Recomendaciones para la realización de pruebas de carga en puentes de carretera. Ministerio de Fomento. Serie Normativa, 1999. [6] Instrucción relativa a las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril. 1975. [7] Instrucción relativa a las acciones a considerar en el proyecto de puentes de ferrocarril. IAPF (en preparación). [8] Recommandations pour la determination de la capacité portante des structures métalliques existantes. UIC. 1986, revisión 1991. [9] American Concrete Institute: Report 437R-91 (Reapproved 1997): “Strength evaluation of existing concrete buildings”. ACI Manual of Concrete Practice

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EJEMPLOS DE PRUEBAS DE CARGA DE PUENTES

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EJEMPLOS DE PRUEBAS DE CARGA DE RECEPCIÓN DE PUENTES DE CARRETERA Con carácter general, se presentan a continuación tres ejemplos de proyecto y ejecución de pruebas de carga de recepción de puentes de carretera. El Ejemplo 1 se refiere a un puente constituido por un tramo isostático de 25 m de luz y 10,50 m de anchura de plataforma. El Ejemplo 2 plantea la realización de una prueba de carga completa a un puente continuo de cuatro vanos de 24 + 32 + 32 + 24 m de luz y 11 m de anchura. El Ejemplo 3 se refiere a un puente continuo de siete vanos, cuyas luces son 30 + 5 x 40 + 30 m y con 10,50 m de anchura de plataforma, al cual se le aplican las simplificaciones expuestas en el apartado 3.6. CONSIDERACIONES GENERALES 1. Proyecto Se indicará que los criterios seguidos para dicho proyecto siguen las RPC de la Dirección General de Carreteras, la presente publicación, la normativa contenida en la EHE u otros documentos, si bien el autor del Proyecto puede estimar necesario o conveniente ampliar o modificar el contenido de las pruebas. En la memoria del proyecto se fijarán los distintos estados de carga, las medidas a efectuar y la situación de los puntos de medida. En el anejo de cálculos se indicarán los valores esperados para las distintas magnitudes en cada una de las fases de la prueba. Como se indicó en el apartado 3.2.2 no deberá sobrepasarse el 70% de las solicitaciones que produciría el tren de cargas de la Instrucción de Acciones, bastando conseguir, en general, el 60% del valor de las mismas en los puntos más característicos. Si se trata de puentes de hormigón o mixtos se indicarán los valores máximos admisibles de abertura de fisuras bajo las cargas de la prueba. Cuando se trate de puentes de vanos independientes de más de 12 metros de luz, para predimensionar el tren de carga del proyecto de la prueba podrá utilizarse una sobrecarga uniformemente distribuida de valor: q = 0,65 ( 4 + 1200/bL ) q = 0,65 ( 4 + 2400/bL )

para b ≤12 m para b >12 m

donde b es el ancho de la plataforma y L la luz de cálculo, ambos en metros. La carga q vendrá expresada en kN/m2. En cualquier caso, el cálculo deberá hacerse teniendo en cuenta tanto el tren de carga de la Instrucción como la sobrecarga real que se utilizará para la ejecución de la prueba. (En caso necesario se ajustaría la sobrecarga de la prueba para conseguir que la relación entre las solicitaciones esté entre el 60 y 70%) Para el cálculo de flechas se tendrán en cuenta las deformaciones elásticas y permanentes de los apoyos.

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Los estados de carga y el número y localización de los aparatos de medida se fijarán atendiendo al apartado correspondiente de la presente Publicación. 2. Ejecución. Proceso general Para materializar la carga se utilizarán camiones u otros vehículos cuyo peso y dimensiones permitan acomodarse lo más posible al tren de carga del proyecto de la prueba. Será preciso medir flechas, como mínimo, en dos puntos de la sección central de cada vano y en dos puntos de cada una de las secciones de apoyo. Si es posible, la medida se realizará con relojes comparadores o transductores de desplazamiento; en caso contrario, se hará utilizando niveles de precisión u otro método equivalente. En este caso deberán usarse puntos de estación independientes de la estructura del puente y, si esto no es factible, se utilizarán puntos fijos de referencia para corregir los posibles movimientos de las estaciones de nivelación. La precisión de las medidas no deberá ser inferior a 0,05 milímetros. En primer lugar se tomarán las lecturas iniciales en descarga de los puntos de medida correspondientes al primer estado de carga. Se recomienda, como norma de buena práctica, realizar estas lecturas dos veces para, de esta forma, eliminar posibles errores y comprobar la adecuación y buen funcionamiento del sistema de medida. En el caso de que se quisiera obtener una información más completa del comportamiento de la estructura se medirían asimismo las siguientes magnitudes: •

Giros en los apoyos, utilizando clinómetros, cuya precisión no sea inferior a la diezmilésima de radián.

•

Deformaciones en las fibras superior e inferior de la sección central, para lo cual podrán utilizarse extensómetros mecánicos o, en el caso de que se disponga del equipamiento necesario, extensometría óhmica, inductiva o de otro tipo. La precisión deberá ser al menos de 5 microdeformaciones.

Si el puente es de hormigón o mixto, será preciso un estudio detallado de la posible fisuración, inspeccionando las zonas más críticas: sección central y secciones de apoyos. Se señalarán todas las fisuras que existan antes de la prueba de carga y se estudiará su variación, así como la posible aparición de otras nuevas en los distintos estados de carga. Se atenderá a lo expuesto en el apartado 3.3.2. en lo referente a tiempos de aplicación de la carga, criterios de estabilización de las medidas, criterios de remanencia y otros criterios de aceptación. Si fuera necesario, se tendrá en cuenta lo indicado en el apartado 3.7 a efecto de minimizar la influencia de las condiciones ambientales sobre los resultados de las medidas. Como complemento a la prueba de carga se efectuará una nivelación de la obra descargada. Una vez finalizada la prueba, se redactará el Informe correspondiente, que incluirá los resultados de la inspección y un resumen de las medidas efectuadas. EJEMPLO 1: Puente isostático de 25 m de luz Se trata de un puente constituido por un tramo isostático de 25 m de luz, de hormigón

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pretensado, con una anchura de plataforma de 10,50 m, que incluye los carriles y los arcenes, pero no las aceras. Dadas las dimensiones del puente, distribuiremos la carga en 6 camiones, dispuestos en tres filas de dos camiones cada una. Al tratarse de un puente de un solo vano con una plataforma de 10,50 m de anchura, la sobrecarga de tanteo para el predimensionamiento del tren de carga del proyecto de la prueba será: q = 0.65 (4 + 1200 / 10,5 / 25) = 5,57 kN/m2 Y la carga total será: Q = 5,57 x 10,5 x 25 = 1462,5 kN que distribuida en seis camiones, da un peso por camión de, aproximadamente, 244 kN En el caso práctico descrito en este ejemplo, el proyecto de la estructura indica un valor del momento flector máximo sin mayorar en la sección central del tablero, debido al tren de carga de la Instrucción de Acciones, MIAP = 7420 m·kN. Con seis camiones de 250 kN de peso distribuidos en la plataforma se obtiene un momento flector en la sección central del tablero MPRUEBA = 4667 m·kN. La relación entre ambos es del 62,9%, que se considera aceptable. Se adopta este valor para la carga de los camiones. Se tomará nota de los pesos reales de los camiones y de sus dimensiones y se colocarán fuera del puente, una vez numerados. Se realizarán tres estados de carga: en el primero se cargará todo el vano, para lo cual se dispondrán dos filas de tres camiones centradas sobre el tablero del puente. En los estados segundo y tercero únicamente se cargarán las mitades izquierda y derecha del puente necesitándose, por tanto, únicamente 3 camiones. El primer estado de carga se hará en dos escalones: en el primero se cargará el vano con cuatro camiones (dos filas de dos camiones) y en el segundo se completa la carga con los dos camiones restantes. La descarga se hará en un único escalón. Los estados de carga segundo y tercero se realizarán en un único escalón. Todo esto se esquematiza en la figura1 del ejemplo 1. A continuación se indican las flechas esperadas en la sección central del tablero para cada uno de los estados y escalones de carga. Para comparar las medidas obtenidas en la prueba con estas flechas teóricas será preciso corregirlas teniendo en cuenta los posibles movimientos de los apoyos. Estado 1: Escalón 1 (carga parcial, cuatro camiones): Escalón 2 (carga total, seis camiones):

f = 5,2 mm f = 8,9 mm

Estados 2 y 3: Borde cargado: Escalón 1 (carga parcial, dos camiones): Escalón 2 (carga total, tres camiones):

f = 5,0 mm f = 6,5 mm

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Borde descargado: Escalón 1 (carga parcial, dos camiones): Escalón 2 (carga total, tres camiones):

f = 2,5 mm f = 1,9 mm

La deformación máxima esperada en la sección central del tablero, que corresponde al estado de carga 1, es: Fibra superior: Fibra inferior:

-75 microdeformaciones 100 microdeformaciones

Dado que el puente objeto de este ejemplo está construido en hormigón, se señalarán todas las fisuras que existan antes de la prueba de carga y se estudiará su variación, así como la posible aparición de otras nuevas en los distintos estados de carga. De acuerdo con el Proyecto de la Obra, se considerará admisible una abertura máxima de fisura para las cargas de la prueba de 0,20 mm.

EJEMPLO 1: Figura 1

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EJEMPLO 2: Puente continuo de 4 vanos En este ejemplo se plantea la prueba de carga de un puente continuo de 24 + 32 + 32 + 24 m de luz, de hormigón pretensado, con una anchura de plataforma de 11,00 m. Para materializar la carga se utilizarán 6 camiones en los vanos interiores (dos filas de tres camiones) y 4 camiones en los vanos extremos (dos filas de dos camiones). Los camiones se dispondrán siempre en dos filas centradas en el tablero. Todos los estados suponen la carga de dos vanos consecutivos o alternos, con lo que el máximo número de camiones que se utilizará será de doce. Para definir los estados de carga se estudian las distintas combinaciones de vanos cargados (vanos consecutivos o alternos) necesarias para producir los máximos momentos positivos en las secciones centrales de todos los vanos y los máximos momentos negativos en todas las secciones interiores de apoyo. Se medirán desplazamientos verticales en las secciones de centro de vano y de apoyo del tablero. En cada una de las secciones se medirá al menos en dos puntos. En cada estado se medirán los valores correspondientes a los vanos cargados y a los adyacentes a los mismos. El proceso de la prueba se efectúa aplicando los siguientes estados de carga (figura 1 del ejemplo 2) : Estado 1 Se cargan los vanos 1 y 2 (10 camiones). Se mide en secciones A, B, C, D, E, F y G. Estado 2 Se cargan los vanos 1 y 3 (10 camiones). Se mide en todas las secciones de apoyo y de centro de vano de la estructura (secciones A a I). Estado 3 Se cargan los vanos 2 y 3 (12 camiones). Se mide en todas las secciones de apoyo y centro de vano (secciones A a I). Estado 4 Se cargan los vanos 2 y 4 (10 camiones). Se mide en todas las secciones de apoyo y centro de vano (secciones A a I). Estado 5 Se cargan los vanos 3 y 4 (10 camiones). Se mide en las secciones C, D, E, F, G, H e I. Del Proyecto de la Obra se obtienen los valores máximos sin mayorar de los momentos flectores MIAP producidos por el tren de carga de la Instrucción de Acciones, en las secciones de centro de vano y de apoyos interiores. Para el Proyecto de la Prueba se adopta para cada camión un peso total de 200 kN, obteniéndose los momentos flectores pésimos MPRUEBA en las secciones anteriores entre los diversos estados de carga. Finalmente se determina el porcentaje γ que supone el momento de la prueba respecto al de la Instrucción de Acciones: γ = 100·MPRUEBA/MIA

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Se observa que con el peso de camión adoptado, la relación de esfuerzos γ alcanza un valor máximo del 63,6% en la sección y estado de carga más desfavorable. En el cuadro siguiente se dan las flechas en las secciones de los centros de cada vano producidas por la carga de camiones aplicada exclusivamente en cada uno de los vanos. Las flechas están expresadas en milímetros y se consideran positivas cuando el movimiento de la sección es descendente. Estos valores servirán para calcular las flechas teóricas correspondientes a cada uno de los escalones y estados de carga.

Antes de iniciar la prueba se realizará una inspección de la estructura, examinando las zonas más críticas. Dado que se trata de una estructura de hormigón, se señalarán todas las fisuras existentes, para poder realizar un seguimiento de las mismas durante la prueba y poder detectar la posible aparición de otras nuevas. La inspección se repetirá después de cada uno de los ciclos que se realicen para los distintos estados de carga. Para esta estructura, de acuerdo con el Proyecto de la Obra, se admitirá una abertura máxima de fisura durante la aplicación de las cargas de la prueba de 0,25 mm. La realización de la prueba se efectuará siguiendo el proceso que se describe a continuación. En todos los casos se ha supuesto que la entrada de los camiones para ir cargando los vanos sucesivos se realiza en el sentido creciente de la numeración de los mismos. La descarga se hace hacia atrás, para no cargar los vanos aún no probados. Se tomará nota de los pesos reales de los camiones y se colocarán fuera del puente, una vez numerados. Estado 1 En primer lugar se tomarán las lecturas iniciales en descarga de los puntos de medida correspondientes a este estado, realizando estas lecturas dos veces para eliminar posibles errores y comprobar la adecuación y buen funcionamiento del sistema de medida. A continuación se procede a la realización del estado 1, el cual se divide en tres escalones (figura 1 del ejemplo 2) : Escalón 1.1: Los camiones 1, 2, 3 y 4 cargan el vano 1. Escalón 1.2: Los camiones 1 a 4 pasan al vano 2, completándose la carga de éste con los camiones 5 y 6. Escalón 1.3: Se introducen los camiones 7 a 10 en el vano 1, manteniendo la carga del vano 2, con lo que se completa la carga de este estado. Después de cada escalón se medirán las flechas en todos los puntos de medida y se aplicará el criterio de estabilización a los puntos situados en los centros de los vanos cargados. Cuando se cumpla el criterio de estabilización, se procederá a la realización

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del siguiente escalón, hasta completar el estado de carga. La descarga se podrá efectuar en un solo escalón, comprobando la estabilización de las medidas. Luego se toman las lecturas en descarga y se calculan los valores remanentes. En este momento se hará una inspección de las zonas críticas de la estructura. Calculados los valores remanentes el Director de la prueba estudiará si es necesario realizar un segundo ciclo, el cual se podría efectuar con único escalón de carga y otro de descarga. Estudiados, en su caso, los valores remanentes correspondientes a ambos ciclos, se aplicarán los criterios de remanencia indicados en 3.3.2 y se procederá en consecuencia. En el cuadro siguiente se dan los valores teóricos de las flechas, expresadas en milímetros, en las secciones correspondientes para cada uno de los escalones de carga:

Estado 2 El proceso es análogo al del estado anterior. Se hacen las lecturas en descarga y se procede según los siguientes pasos: Escalón 2.1: Los camiones 1 a 6 cargan el vano 3. Escalón 2.2: Se completa la carga del estado 2 cargando el vano 1 con los camiones 7 a 10. La descarga se podrá hacer en un único escalón. Calculados los valores remanentes se decidirá dar por concluido el estado o proceder a un nuevo ciclo de carga-descarga. En el cuadro siguiente se dan los valores teóricos de las flechas, expresadas en milímetros, en las secciones correspondientes para cada uno de los escalones de carga:

Estado 3 (figura 1 del ejemplo 2) :

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Puede realizarse en un único escalón, consistente en cargar el vano 3 con los camiones 1 a 6 y el vano 2 con los camiones 7 a 12. La descarga se hará también en un solo escalón. En el cuadro siguiente se dan los valores teóricos de las flechas:

Estado 4 Se hará en dos escalones: Escalón 4.1: Los camiones 1 a 4 cargan el vano 4 Escalón 4.2: Se completa la carga de este estado cargando el vano 2 con los camiones 5 a 10. La descarga se hará en un único escalón. Se comprobará si los resultados de este estado son concordantes con los obtenidos en el estado de carga 2, simétrico de éste. En el cuadro siguiente se dan los valores teóricos de las flechas:

Estado 5 Se hará en un solo escalón de carga-descarga cargando el vano 4 con los camiones 1 a 4 y el vano 3 con los camiones 5 a 10. Se comprobará si los resultados de este estado son concordantes con los obtenidos en el estado de carga 1, simétrico de éste. En el cuadro siguiente se dan los valores teóricos de las flechas:

Todo el proceso de la prueba se esquematiza en las figuras correspondientes al ejem-

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plo 2, donde se indican las posiciones de las cargas y la situación de los puntos de medida en cada una de sus fases. Además de las sucesivas medidas e inspecciones se realizará una nivelación del tablero del puente.

EJEMPLO 2: Figura 1

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EJEMPLO 2: Figura 2

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EJEMPLO 3: Puente continuo de 7 vanos Se trata de un puente continuo de siete vanos de luces 30 + 5 x 40 + 30 m y anchura de plataforma de 11,00 m, construido en hormigón pretensado. Para materializar la carga se utilizarán 8 camiones en los vanos interiores (dos filas de cuatro camiones) y 6 camiones en los vanos extremos (dos filas de tres camiones). Los camiones se dispondrán siempre en dos filas centradas en el tablero. Todos los estados suponen la carga de dos vanos consecutivos o alternos, con lo que el máximo número de camiones que se utilizará será de dieciséis. Para definir los estados de carga se estudian las distintas combinaciones de vanos cargados (vanos consecutivos o alternos) necesarias para producir, con el tren de carga disponible, los máximos momentos positivos en las secciones centrales de todos los vanos y los máximos momentos negativos en todas las secciones interiores de apoyo. Se medirán desplazamientos verticales en las secciones de centro de vano y de apoyo del tablero. En cada una de las secciones se medirá al menos en dos puntos. En cada estado se medirán los valores correspondientes a los vanos cargados y a los adyacentes a los mismos, salvo en los estados de carga en que se apliquen simplificaciones, de acuerdo con el apartado 3.6. Al tratarse de un puente con cinco vanos iguales (los cinco vanos interiores), podrá simplificarse la ejecución de la prueba de carga realizando la prueba completa en aquellos estados que afecten a los vanos extremos y al menos en el 25% de los estados restantes. El resto de los estados podrán efectuarse de forma simplificada. Esta simplificación consistirá en reducir la aplicación de la carga a un único escalón, y en realizar la medida de las flechas únicamente en las secciones más características, que serán las correspondientes a los centros de los vanos cargados. En el caso que nos ocupa, la realización de la prueba supone la aplicación de 10 estados de carga, de los cuales 4 afectan directamente a los vanos extremos. De los seis restantes, deberá hacerse la prueba completa en 2 (al menos en el 25%), que en este caso serán los vanos 2 y 3. Por lo tanto, y a la vista de los estados de carga que afectan a cada vano, se realizará prueba completa en 7 estados de carga y simplificada en los cuatro restantes, tal como se indica en la figura 1 del Ejemplo 3. El proceso de la prueba se efectúa aplicando los siguientes estados de carga: Estado 1 Se cargan los vanos 1 y 2 (14 camiones). Se realiza prueba completa. Estado 2 Se cargan los vanos 1 y 3 (14 camiones). Se realiza prueba completa. Estado 3 Se cargan los vanos 2 y 3 (16 camiones). Se realiza prueba completa. Estado 4 Se cargan los vanos 2 y 4 (16 camiones). Se realiza prueba completa. Estado 5 Se cargan los vanos 3 y 4 (16 camiones). Se realiza prueba completa.

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Estado 6 Se cargan los vanos 4 y 5 (16 camiones). Se realiza prueba simplificada. Estado 7 Se cargan los vanos 4 y 6 (16 camiones). Se realiza prueba simplificada. Estado 8 Se cargan los vanos 5 y 6 (16 camiones). Se realiza prueba simplificada. Estado 9 Se cargan los vanos 5 y 7 (14 camiones). Se realiza prueba completa. Estado 10 Se cargan los vanos 6 y 7 (14 camiones). Se realiza prueba completa. Del Proyecto de la Obra se obtienen los valores máximos de los momentos flectores sin mayorar MIA producidos por el tren de carga de la Instrucción de Acciones, en las secciones de centro de vano y de apoyos interiores. Para el Proyecto de la Prueba se adoptará para cada camión un peso total tal que el porcentaje γ = 100·MPRUEBA/MIA, siendo MPRUEBA los momentos flectores pésimos que se obtienen durante la prueba, esté comprendido entre el 60% y el 70%. Antes de iniciar la prueba se realizará una inspección de la estructura, examinando las zonas más críticas. Dado que se trata de una estructura de hormigón, se señalarán todas las fisuras existentes, para poder realizar un seguimiento de las mismas durante la prueba, así como para detectar la posible aparición de otras nuevas. La inspección se repetirá después de cada uno de los ciclos que se realicen para los distintos estados de carga. La realización de la prueba se efectuará siguiendo el proceso que se describe a continuación. En todos los casos se ha supuesto que la entrada de los camiones para ir cargando los vanos sucesivos se realiza en el sentido creciente de la numeración de los mismos. La descarga se hace hacia atrás, para no cargar los vanos aún no probados. Se tomará nota de los pesos reales de los camiones y se colocarán fuera del puente, una vez numerados. Estado 1 En primer lugar se tomarán las lecturas iniciales en descarga de los puntos de medida correspondientes a este estado; se repetirán estas lecturas, para eliminar posibles errores y comprobar la adecuación y buen funcionamiento del sistema de medida. A continuación se procede a la realización del estado 1, el cual se divide en tres escalones: Escalón 1.1: Los camiones 1 a 6 cargan el vano 1. Escalón 1.2: Los camiones 1 a 6 pasan al vano 2, completándose la carga de éste con los camiones 7 y 8. Escalón 1.3: Se introducen los camiones 9 a 14 en el vano 1, manteniendo la carga del vano 2, con lo que se completa la carga de este estado.

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Después de cada escalón se medirán las flechas en todos los puntos de medida y se aplicará el criterio de estabilización a los puntos situados en los centros de los vanos cargados. Cuando se cumpla el criterio de estabilización, se procederá a la realización del siguiente escalón, hasta completar el estado de carga. Si el Director de la Prueba lo considera oportuno, a fin de simplificar su realización, puede reducirse la lectura de flechas, en los escalones intermedios, a las secciones correspondientes a los vanos cargados en dicho escalón. La descarga se podrá efectuar en un solo escalón, comprobando la estabilización de las medidas. A continuación se toman las lecturas en descarga y se determinan los valores remanentes. En este momento se hará una inspección de las zonas críticas de la estructura. A continuación se toman nuevamente las lecturas en descarga, se calculan los valores remanentes y, si es necesario, se realiza un segundo ciclo, el cual se podrá efectuar con único escalón de carga y otro de descarga, y se realizará una nueva inspección. Estudiados los valores remanentes correspondientes a ambos ciclos, se aplicarán los criterios indicados en 3.3.2. para dar por terminado el estado de carga o tomar las medidas oportunas por parte del Director de la prueba. Estado 2 El proceso es análogo al del estado anterior. Se hacen las lecturas en descarga y se procede según los siguientes pasos: Escalón 2.1: Los camiones 1 a 8 cargan el vano 3. Escalón 2.2: Se completa la carga del estado 2 cargando el vano 1 con los camiones 9 a 14. La descarga se podrá hacer en un solo escalón. Calculados los valores remanentes se decidirá dar por concluido el estado o proceder a un nuevo ciclo de carga-descarga. Estado 3 Puede realizarse en un único escalón, consistente en cargar el vano 3 con los camiones 1 a 8 y el vano 2 con los camiones 9 a 16. La descarga se hará también en un solo escalón. Estado 4 Se hará en dos escalones: Escalón 4.1: Los camiones 1 a 8 cargan el vano 4. Escalón 4.2: Se completa la carga de este estado cargando el vano 2 con los camiones 9 a 16. La descarga se hará en un único escalón. Estado 5 Se hará en un único escalón, cargando el vano 4 con los camiones 1 a 8 y el vano 3 con los camiones 9 a 16. La descarga se hará también en un solo escalón.

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Estado 6 Se hará en un único escalón, cargando el vano 5 con los camiones 1 a 8 y el vano 4 con los camiones 9 a 16. Se realizará prueba simplificada, por lo que sólo será preciso medir flechas en las secciones centrales de los vanos 4 y 5. Estado 7 Se hará en un único escalón de carga-descarga (prueba simplificada), cargando el vano 6 con los camiones 1 a 8 y el vano 4 con los camiones 9 a 16. Únicamente será preciso medir flechas en las secciones centrales de los vanos 4 y 6. Estado 8 Se hará en un único escalón de carga-descarga (prueba simplificada), cargando el vano 5 con los camiones 1 a 8 y el vano 6 con los camiones 9 a 16. Sólo será preciso medir flechas en las secciones centrales de los vanos 5 y 6. NOTA: La realización de estos estados de carga simplificados (estados 6 a 8) puede hacerse, a juicio del Director de la prueba, de forma sucesiva. Se hace de forma conjunta la lectura inicial en descarga de los puntos de medida de los distintos vanos. Se pasan luego los camiones de unos vanos a otros de forma ordenada, haciendo las lecturas en carga; y se hace, por último, la lectura conjunta de las flechas correspondientes a la estructura descargada, todo ello como si se tratase de distintos escalones de carga de un mismo estado. Para realizar esta simplificación será preciso que los resultados salgan concordantes con los de otros estados análogos realizados con anterioridad. Estado 9 Se hará en dos escalones: Escalón 9.1: Los camiones 1 a 6 cargan el vano 7. Escalón 9.2: Se completa el estado cargando el vano 5 con los camiones 7 a 14. La descarga se hará en un único escalón. Si fuera preciso, se realizará un segundo ciclo de carga - descarga en un solo escalón. Estado 10 Se hará en un único escalón. Los camiones 1 a 6 cargan el vano 7 y los camiones 7 a 14 el vano 6. La descarga se realizará en un único escalón. Si fuera preciso se efectuará un solo ciclo de carga-descarga, todo ello en un único escalón. Todo el proceso de la prueba se esquematiza en la figura del ejemplo 3, donde se indican las posiciones de las cargas y la situación de los puntos de medida en cada una de sus fases. Además de las sucesivas medidas e inspecciones se realizará una nivelación del tablero del puente.

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EJEMPLO 3: Figura 1

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EJEMPLO DE PRUEBA DE CARGA DE UN PUENTE DE FERROCARRIL DE HORMIGÓN Puente de dos vanos Se plantea la prueba de carga de un puente de dos vanos, de 12,30 metros de luz cada uno, con un esviaje de 67º, que soporta dos vías de ferrocarril y salva un cauce. El tablero está compuesto por nueve vigas prefabricadas de hormigón pretensado (HP50) de 1,00 metro, de canto, sobre las que existe una losa de compresión de hormigón armado (HA-25) de 0,25 metros de canto. El ancho total del tablero es de 12,30 metros, las vías tienen una separación entre ejes de 4,00 metros y la capa de balasto tiene 0,60 metros de espesor medio. Las sobrecargas a utilizar consisten en dos locomotoras tipo 333, de dos bogies de tres ejes cada uno y 1.200 KN de peso total. Para las pruebas de carga estáticas se plantean dos estados de carga, uno para cada vano, dado que son isostáticos. En cada estado se sitúa una locomotora en cada vía, con el bogie en el centro de luz.

Se miden desplazamientos verticales en las secciones AA (vigas nº 3, nº 5 y nº 7), BB (vigas nº 3, nº 4, nº 6 y nº 7, que coinciden geométricamente con los carriles), CC (vigas nº 3, nº 5 y nº 7), DD (vigas nº 3, nº 4, nº 6 y nº 7) y EE (vigas nº 3, nº 5 y nº 7). Se miden deformaciones en las secciones BB (vigas nº 4 y nº 6) y DD (vigas nº 3 y nº 7). Para las pruebas dinámicas se emplea un servoacelerómetro en el centro de luz de cada uno de los vanos, colocado directamente sobre la losa de compresión del tablero si es posible (fuera de la capa de balasto), y en la posición más cercana a la vía por la cual va a circular la locomotora. Del Proyecto se obtienen los valores máximos sin mayorar de los momentos flectores

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producidos por el tren de carga de la Instrucción de acciones, en las secciones de centro de vano, y se comparan en las mismas secciones con los valores obtenidos aplicando las sobrecargas previstas. El porcentaje que suponen los segundos valores obtenidos respecto de los primeros es γ = 100·MINSTRUCCIÓN/MPRUEBA. También se comparan los valores de los desplazamientos medidos aplicando las cargas de la Instrucción y las sobrecargas de la prueba.

En los puentes de ferrocarril la posición de las cargas viene obligada por la situación de las vías y por la geometría del tablero. En este sentido, no se puede llegar a alcanzar muchas veces más que un pequeño porcentaje de los esfuerzos provocados por las cargas de la Instrucción, dado que físicamente no entra la locomotora completa (con sus dos bogies) en el mismo vano. En el siguiente cuadro se muestran las flechas y las deformaciones previstas en las secciones de centro de vano bajo la aplicación de las sobrecargas de la prueba. Las flechas están expresadas en mm y son positivas cuando reflejan un movimiento descendente, y las deformaciones están expresadas en microdeformaciones (mm). Dado que ambos vanos son idénticos, los valores previstos en centro de luz coinciden.

Mediante un análisis modal se calculan las frecuencias y los correspondientes periodos de los tres primeros modos de vibración de la estructura, que se muestran a continuación:

Antes de comenzar la prueba se realizará una inspección visual de la estructura. Como es una estructura de hormigón, se examinan las posibles fisuras para poder realizar un seguimiento de las mismas o bien; se trata de detectar la aparición de nuevas fisuras durante la realización de la prueba. Este último caso es más probable que se presente en el caso de tableros de hormigón armado (no pretensado) que no han estado sometidos previa-

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mente a sobrecargas apreciables (fundamentalmente tráfico de la propia obra). Si los cálculos de proyecto de la estructura son conformes con la Instrucción EHE, las fisuras que puedan aparecer no superarán los valores límites que se indican para el estado límite de fisuración. En el caso de los puentes de ferrocarril este supuesto es altamente improbable, puesto que para colocar el material puramente ferroviario (balasto, traviesas, vía, etc.) se emplean numerosas máquinas, la mayor parte de las cuales circulan sobre el tablero, y sus cargas son en algunos casos similares a las de las locomotoras. La realización de la prueba se efectuará siguiendo el proceso que se describe a continuación. Las locomotoras entrarán en el mismo sentido, cada una por una vía, y saldrán hacia atrás para no cargar el vano no ensayado. Pruebas estáticas Dada la igualdad geométrica entre los vanos nº 1 y nº 2, el Estado nº 1 de carga coincide con el Estado nº 2. Una vez comprobado el correcto funcionamiento de la instrumentación colocada y realizada la inspección inicial, se toman las lecturas iniciales en descarga de los puntos de medida correspondientes a este estado. Esta lectura se realiza dos veces con un pequeño intervalo de tiempo entre ellas, para garantizar la validez de las mismas y el buen funcionamiento del sistema de medida. A continuación se procede a la realización del Estado 1, consistente en la introducción de dos locomotoras tipo 333, una por cada vía. Se divide este estado en dos escalones: 1. Se sitúa la primera locomotora con su bogie delantero centrado en la vía nº

1 (previamente se habrá aclarado entre el personal participante en las pruebas la denominación de las vías). 2. Se sitúa la segunda locomotora con su bogie delantero centrado en la vía nº 2.

Después de cada escalón se medirán las flechas en todos los puntos de medida y se aplicará el criterio de estabilización a los puntos situados en el centro de luz. Cuando se cumpla el criterio de estabilización en el escalón nº 1, se procederá a la realización del siguiente escalón. La descarga se efectuará en un solo escalón, comprobando la estabilización de las medidas. Luego se toman medidas en descarga y se calculan los valores remanentes. En ese momento se realizará una nueva inspección de las zonas críticas de la estructura. Calculados los valores remanentes el Director de la prueba estudiará si es necesario realizar un segundo ciclo, el cual se podría realizar mediante un único escalón de carga y otro de descarga. Estudiados, en su caso, los valores remanentes correspondientes a ambos ciclos, se aplicarán los criterios de remanencia indicados en 4.3.4. y se procederá en consecuencia. Pruebas dinámicas Las pruebas dinámicas se realizarán con una sola locomotora circulando a lo largo de una de las vías. Se llevarán a cabo los siguientes ensayos:

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Paso de la locomotora a 5 km/h. Paso de la locomotora a 30 km/h. Paso de la locomotora a máxima velocidad. Una prueba de frenado. En este ensayo la locomotora adquiere la máxima velocidad admisible y a su paso por el tablero a ensayar realiza un frenazo brusco para excitar a la estructura.

El objetivo de estos ensayos es obtener el coeficiente de impacto y el índice de amortiguamiento, así como comprobar la frecuencia de vibración. En el primer caso se comparan los valores de flecha obtenidos mediante los puntos instrumentados en centro de luz, en las pruebas a 5 km/h (cuasi-estática) y a máxima velocidad. De este modo se plantea la tabla de valores siguiente:

La prueba a 30 km/h sirve como comprobación de la validez de los registros anteriores y para verificar que determinados pasos de un cierto tren de cargas (en este caso una locomotora tipo 333) a una velocidad precisa no provocan peores impactos que a máxima velocidad, al coincidir la frecuencia de paso de dicho tren de cargas con la frecuencia propia de la estructura.

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EJEMPLO DE PRUEBA DE CARGA DE PUENTES METÁLICOS DE FERROCARRIL Con carácter general, se presenta a continuación un ejemplo de prueba de carga de un puente metálico de ferrocarril en servicio. Se trata de un puente de principios del siglo XX, de un único tramo isostático de longitud total de 52,924 m. Tiene dos vigas principales, separadas transversalmente 4 m, que son celosías tipo Linville roblonadas, de 20 módulos, con un canto en estribos de 5,428 m. El tablero es superior respecto de las vigas principales y está formado por viguetas y largueros de alma llena, coincidiendo en la posición de los montantes de éstas. Todos los elementos de vigas y tablero están formados por piezas de diferentes secciones, compuestas por chapas y angulares roblonados. CONSIDERACIONES GENERALES 1. Proyecto Los estados de carga y el número y localización de los aparatos de medida se fijarán atendiendo al apartado 5 de la presente Publicación. En la figura 1 se incluye un ejemplo de definición de la posición de los sensores de deformaciones. 2. Ejecución. Proceso general Para materializar la carga de prueba se utilizarán las locomotoras definidas en el proyecto de prueba de carga, que se habrán seleccionado entre el material móvil disponible en ese momento en la zona de ubicación del puente. Se realizará primero la prueba estática situando el tren en la situación más desfavorable, para después realizar las pruebas dinámicas empezando por la de menor velocidad. Esto se hace para incrementar la carga de forma progresiva (esta forma de actuación es más importante en las pruebas de carga de recepción). En cada prueba se medirán las flechas, tensiones y aceleraciones en los puntos fijados en el proyecto de prueba de carga, así como los movimientos de apoyos. Se atenderá a lo expuesto en los apartados correspondientes en lo referente a los tiempos de aplicación de la carga, criterios de estabilización de las medidas, y criterios de remanencia. Una vez finalizada la prueba se redactará el Informe correspondiente, que incluirá los resultados de la inspección, las medidas efectuadas, anejo fotográfico, cálculo de tensiones por extrapolación, y conclusiones y recomendaciones derivadas de los resultados obtenidos. 3. Tratamiento de los registros y obtención de resultados El cálculo se orienta a obtener los valores tensionales debidos a las sobrecargas reales existentes sobre el puente (esto es, las producidas por la acción conjunta de las cargas permanentes y las de los trenes del tráfico ferroviario), tomando como punto de partida las tensiones registradas en la prueba de carga. Las tensiones registradas en la prueba de carga son las siguientes:

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σEst = Tensión debida al tren de pruebas en la prueba estática. σ10 = Tensión cuasiestática. Tren de pruebas a velocidad de 10 Km/h. σmed = Tensión debida al tren de pruebas circulando a la velocidad media. σmax = Tensión debida al tren de pruebas circulando a la máxima velocidad. σmax,f = Tensión debida al tren de pruebas frenando a la máxima velocidad. A partir de estos registros se trata de obtener por extrapolación, en todos los puntos instrumentados, las tensiones que generarían en ellos las cargas permanentes y las sobrecargas de tráfico. Para ello se empleará la siguiente fórmula:

σext,ct TOTAL = (σext,cp) + (σext,ct) Siendo σext,ct TOTAL la tensión total por extrapolación en el punto considerado, σext,cp la tensión por extrapolación producida por las cargas permanentes, y σext,ct la tensión por extrapolación producida por la sobrecarga de tráfico. Los valores de los dos sumandos de la igualdad anterior se obtienen por proporcionalidad de la siguiente forma:

σext,cp = σ10x(σcp/σtp) σext,ct = kimp x (max(σmax,σmax,f)x(σct/σtp) Las tensiones σcp, σtp y σct son las obtenidas en el cálculo teórico del puente, es decir:

σcp = Tensión teórica debida a las cargas permanentes. σct = Tensión teórica debida a las sobrecargas de tráfico con las que se desea σtp

comprobar la estructura. = Tensión teórica debida a las sobrecargas generadas por el tren utilizado en la prueba de carga.

Para la obtención de la tensión generada por la carga permanente se considera la tensión registrada en la prueba cuasiestática, por considerar que esta no incluye efectos dinámicos al circular el tren de pruebas muy lento. En el caso de la tensión generada por el tren de cargas consideramos el registro máximo obtenido, ya que engloba todos los efectos dinámicos. Todas las tensiones teóricas se obtienen en los puntos donde se sitúan las galgas extensométricas. El coeficiente kimp es la relación entre el coeficiente de impacto teórico a la máxima velocidad de trayecto sobre el puente y el coeficiente de impacto teórico a la máxima velocidad a la que se realizan las pruebas. Tendrá de valor “1” en el caso de que ambas velocidades coincidan, que es lo deseable en los ensayos. 4. Desarrollo numérico del ejemplo seleccionado Las velocidades alcanzadas en las pruebas han sido de 10 Km/h en la prueba cua-

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siestática, de 50 Km/h en la prueba de velocidad media y de 100 Km/h en las pruebas de máxima velocidad y frenado, siendo esta última la máxima velocidad de paso de las circulaciones por este tramo. En el puente seleccionado se han instrumentado 60 puntos para medición de tensiones, 48 en las vigas principales y 12 en el tablero, habiéndose dispuesto a su vez 3 transductores de desplazamientos, dos para medición de flechas en el centro de vano y uno para medición de movimientos horizontales en apoyos. En la figura 1 se incluye el croquis de instrumentación del puente. También se ha dispuesto un acelerómetro en centro de vano con el fin de medir las aceleraciones producidas en el puente al paso de las locomotoras de la prueba de carga. El tren utilizado en esta prueba de carga está constituido por dos locomotoras acopladas de seis ejes de la serie 319 de RENFE (17,50 t/eje). Para exponer el procedimiento de actuación se analizan los resultados obtenidos en la galga 29, situada en el faldón del cordón superior en el nudo trece de la viga izquierda, como se observa en la figura 2. Las tensiones registradas en la galga durante las pruebas ver figura 3 y fueron las siguientes :

σ10

= - 489 Kp/cm2

σmed

= - 498 Kp/cm2

σmax

= - 529 Kp/cm2

σmax,f = - 507 Kp/cm2 Las tensiones teóricas obtenidas en el modelo de cálculo han sido:

σtp

= - 443 Kp/cm2

σcp

= - 278 Kp/cm2

σD4

= - 643 Kp/cm2 (Se ha considerado en este caso como tren de tráfico para la comprobación de la estructura el tren tipo D4 de la UIC, que es el que se utiliza en RENFE).

Aplicando la fórmula del apartado anterior resulta:

σext,cp = σ10x(σcp/σtp) = -489 x (-278/-443) = -307 Kp/cm2 σext,D4 = kimp x (max(σmax,σmax,f)x(σct/σtp)) = 1 x (- 529 x (-643/-443)) = -768 Kp/cm2 σext,D4 TOTAL = (σext,cp) + (σext,D4) =(-307) + (-768) = - 1.075 Kp/cm2 En este caso, como la velocidad máxima de circulación de la línea en el tramo es igual a la máxima utilizada en la prueba resulta kimp= 1.

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Puesto que el acero que constituye el puente tiene un límite elástico de 2.400 Kp/cm2, se obtiene un coeficiente de seguridad de γseg= 2.400/1.075 = 2,23, que incluye el de minoración del material y el de mayoración de las cargas. Según la Orden Ministerial por la que se regulan las Inspecciones Técnicas en los Puentes de Ferrocarril (ITPF), “en los puentes metálicos el resultado de la prueba de carga se considerará favorable si, en todas sus secciones, el cociente entre el límite elástico y las tensiones obtenidas extrapolando los resultados de la prueba a las máximas sobrecargas verticales habituales en la línea es superior a 1,45”, situación que se cumple en esta galga, por lo que el nivel tensional en este punto se considera adecuado. Este proceso de comprobación debe realizarse en todas las galgas extensométricas instrumentadas, verificando en las mismas que las tensiones obtenidas están dentro de los niveles admisibles. En caso contrario hay que establecer limitaciones a la explotación, bien en carga, bien en velocidad, o en ambas, hasta la realización de las reparaciones o refuerzos necesarios. Los resultados registrados en las pruebas para las flechas y los movimientos de apoyos se comparan directamente con los teóricos que se derivan del cálculo, aplicando para los mismos los criterios generales de aceptación, siendo estos resultados habitualmente coherentes con los obtenidos de forma general para las tensiones. En la figura 4 se muestra la hoja de registros de la flecha en el centro de vano de la viga derecha. Por último, la medida de aceleraciones hace posible la obtención de la frecuencia propia real de vibración del puente. Este valor se compara con la frecuencia obtenida en los cálculos teóricos, lo que permite evaluar los coeficientes de impacto teóricos reales a las distintas velocidades. Sin embargo, su mayor utilidad es la comparación de los valores obtenidos a lo largo de las distintas pruebas de carga durante la vida útil del puente, que podrían detectar defectos ocultos en la estructura. En las figuras 5 y 6 se muestran las hojas de registro de aceleraciones y del espectro de frecuencias, correspondientes al acelerómetro situado en el centro de vano de la viga derecha.

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Fig 1. Croquis de posición de galgas extensométricas (Cortesía TIFSA)

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Fig 2. Posición de Galga Extensométrica en faldón de cordón superior (Cortesía TIFSA)

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Fig 3. Gráfico de tensiones registradas en la galga 29 (Cortesía TIFS

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Fig 4. Gráfico de flechas (Cortesía TIFSA)

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Fig 5. Gráfico de aceleraciones (Cortesía TIFSA)

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Fig 6. Gráfico de espectro de frecuencias (Cortesía TIFSA)

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EJEMPLO DE PRUEBA DE CARGA DE FORJADO DE EDIFICACIÓN

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EJEMPLO DE PRUEBA DE CARGA DE UN FORJADO DE EDIFICACIÓN Se considera el forjado de una planta de un inmueble, en el que para validar la situación de seguridad del forjado frente a las cargas previstas, ante un cambio de uso, se procede a realizar una prueba de carga. Para ello, en dicha planta se seleccionará una serie de zonas de forjado comprendidas entre vigas y brochales, a ensayar, para poder sancionar con carácter general todo el forjado, (Figura nº 1)

Figura 1. Croquis de planta El forjado considerado es un forjado unidireccional, conformado por viguetas prefabricadas con un intereje de 70 cm y piezas de entrevigado cerámicas de 22 cm de canto. Sobre el forjado se encuentra el solado, con su correspondiente capa de mortero de nivelación. Para el ejemplo se ha considerado la zona de forjado nº 3.

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Para la materialización de las cargas se han dispuesto sobre las zonas de ensayo acopios de sacos de cemento. Bajo estas zonas se han dispuesto apeos de seguridad, con el objeto de garantizar la seguridad de la estructura y las personas durante los ensayos. La carga de ensayo límite aplicada es la siguiente: Q= 0,85*( γg*(D1+D2)+ γq *(L1+L2+q)) – (D1+L1) Q = Carga de Ensayo Límite. γg = Coeficiente de mayoración de acciones frente a cargas permanentes. γq = Coeficiente de mayoración de acciones frente a sobrecargas. D1= Carga permanente presente en el momento del ensayo (incluyendo peso propio). D2= Carga permanente no presente en el momento del ensayo y que por tanto se simula durante el mismo. L1 =Sobrecarga (tabiquería) presente en el momento del ensayo. L2 =Sobrecarga (tabiquería) no presente en el momento del ensayo. q =Sobrecarga de uso prevista para el elemento a ensayar. Adoptamos como valores para las acciones los siguientes: Peso propio........................................................................................ 140 Kp/m2. Solado actual..................................................................................... 100 Kp/m2. Carga permanente no presente en el momento del ensayo (nuevo solado)................................................................................................ 60 Kp/m2. Sobrecarga (tabiqueria).............. .................................. ..................... 0 Kp/m2. Sobrecarga (tabiqueria), no presente en el momento de ensayo.......0 Kp/m2. Sobrecarga de uso..................................................................... ........ 200 Kp/m2.

γg = 1,35, coeficiente de mayoración de acciones frente a cargas permanentes. γq = 1,5, coeficiente de mayoración de acciones frente a sobrecargas resultando una carga de ensayo limite: Q= 0,85*( 1,35*(140+100+60)+ 1,5 *(0+200)) – (140+100)=359 Kp/m2 La secuencia seguida en la materializacion de la carga en las zonas de forjado a probar es la siguiente:

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Las magnitudes a medir durante la prueba serán desplazamientos verticales (flechas), indicándose en el croquis siguiente la situación tipo de los aparatos de medida en la zona de forjado a ensayar (Figura nº 2).

Figura 2. Croquis de instrumentación La flecha máxima teórica con la que se compararan las flechas máximas medidas será la siguiente para la zona de forjado a ensayar: f= Lt2/ (20.000*h)= 34502/(20000*220)=2,71 mm h = canto del elemento = 220 mm Lt = Luz entre apoyos = 3450 m A continuación se recogen una serie de fotografías que muestras distintas formas de materializar las sobrecargas en la realización de las pruebas de distintos tipos de forjado.

Fotografía nº 1. Materialización de la carga de ensayo mediante acopio de sacos (Cortesía de INTEMAC, S.A.)

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Fotografia nº 2. Materialización de la carga de ensayo mediante balsas de agua (Cortesía de INTEMAC, S.A.)

Fotografia nº 3. Materialización de la carga de ensayo mediante camiones (Cortesía de INTEMAC, S.A.)

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