Estudio experimental de capacidad portante de túneles construidos con tuneladora empleando reducción geométrica

M.Sc. Ing. Petraroia, Diego N.; Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Mark, Peter

Ruhr University Bochum, Germany. diego.petraroia@rub.de

RESUMEN

En los últimos años, grandes esfuerzos han sido invertidos en la verificación experimental de la capacidad portante de dovelas de hormigón prefabricado para túneles excavados con tuneladora. Sin embargo, pocos laboratorios permiten llevar a cabo campañas experimentales que repliquen las condiciones predominantes en túneles reales. Este trabajo presenta un método innovador que permite reducir el estudio experimental de un anillo completo a solamente una dovela en estado final de servicio, de modo que las cargas necesarias se vean reducidas. A pesar de la simplificación geométrica impuesta, se incluyen los efectos causados por la introducción de cargas concentradas en las juntas longitudinales. La mayor parte de la superficie del extradós es cubierta con cargas puntuales que replican el suelo circundante, lo cual se logra mediante dos pórticos de acero independientes que aplican las cargas provenientes de cilindros hidráulicos interconectados. De esta manera, se consigue introducir hasta 5,6 MN en dirección axial de la dovela. El banco de pruebas fue validado con un ensayo llevado a cabo hasta alcanzar el colapso estructural, donde se observó una correcta distribución de esfuerzos sobre el espécimen.

ABSTRACT

In recent years, great efforts have been made in the experimental verification of the bearing capacity of precast concrete segmental linings for tunnel boring machine driven tunnels. However, only few facilities allow to conduct experimental campaigns that replicate the conditions prevailing in real tunnels. This work presents an innovative method that allows to reduce the study of a complete ring to only one segment in the final serviceability state, so that the needed loads are reduced. Despite the geometrical simplification imposed, the effects caused by the introduction of concentrated loads at the longitudinal joints are included. Most of the extrados surface is loaded with point loads to replicate the surrounding ground, which is achieved by two independent steel frames applying loads from interconnected hydraulic cylinders. In this way, up to 5,6 MN can be introduced in the axial direction of the segment. The testing device is validated with an experiment until the structural collapse is reached, showing a correct distribution of forces on the specimen.

1. INTRODUCCIÓN

En las últimas décadas, la construcción de túneles con medios mecanizados ha tenido cada vez mayor recurrencia. Cuando este método constructivo es factible, permite reducir los tiempos de trabajo y limitar las interrupciones de tráfico en la superficie. En este método de construcción, una máquina tuneladora es la responsable del avance en el frente de excavación. Durante el proceso instala piezas de hormigón prefabricado, denominadas dovelas, que conforman los sucesivos anillos y definen la geometría del túnel. Una característica distintiva es que los cilindros hidráulicos que se usan como medio de propulsión utilizan la estructura final, es decir las dovelas, como soporte.

La Figura 1 muestra un caso general de sección transversal de túnel construido con dovelas de hormigón y sometido a una carga radial transmitida a través del suelo circundante en la fase final de servicio. El sistema suelo-estructura suele modelarse con un sistema de barras apoyadas en un medio elástico no lineal, estáticamente indeterminado. Como resultado, se obtienen corrimientos radiales y esfuerzos internos, principalmente esfuerzo normal y momento flexor, cuya transmisión se encuentra limitada en las juntas longitudinales por una superficie de contacto reducida. En efecto, el contacto entre dos dovelas contiguas ocurre generalmente entre dos superficies planas de ancho aproximadamente igual a la mitad del espesor del túnel, con el objeto de evitar roturas en las esquinas que comprometan la impermeabilidad hidráulica de la junta. Esta se comporta como una articulación de hormigón y, por lo tanto, el valor de momento que puede transmitir depende del esfuerzo normal y el giro relativo en la junta en forma no lineal1,2. Esto se traduce a un problema de introducción de cargas concentradas, en el cual se generan esfuerzos de tracción de fractura paralelos a la superficie cargada, que influye y condiciona el dimensionamiento de la estructura.

Figura 1. Sección transversal de un túnel sometido a carga radial distribuida (centro), detalle de junta longitudinal (izquierda) y sistema estático simplificado de una dovela

(derecha)

El análisis experimental de los efectos producidos en el túnel por los esfuerzos obtenidos de los modelos numéricos, en particular la capacidad de carga, puede simplificarse drásticamente si se reduce el estudio a una de las dovelas que compone el anillo. Para esto, deben imponerse las condiciones de vínculo correspondientes en las juntas longitudinales para mantener la continuidad geométrica del anillo completo (Figura 1, derecha).

En el pasado, se han realizado estudios experimentales que recopilan en mayor o menor medida los efectos antes mencionados. En un primer grupo pueden enmarcarse las campañas experimentales que extendieron su estudio a uno o más anillos completos. Entre ellos puede citarse el de Blom y van Oosterhout3, donde se ensayaron tres anillos acoplados sometidos a fuerzas radiales, que permitió validar un modelo que incluye la rigidez rotacional de las juntas longitudinales y la interacción entre anillos adyacentes4. Construcciones similares fueron desarrolladas por Liu et al5. En un segundo grupo se hallan los ensayos realizados sobre segmentos individuales, que se enfocan generalmente en su capacidad portante. Así, se encuentra documentada una primera variante que se concentra en la absorción de elementos flexores, en particular para determinar los efectos benéficos de la adición de fibras en el hormigón6,7. En otros casos se contó adicionalmente con esfuerzos normales en la pieza ensayada. Esto se logró mediante la acción de cargas verticales en el extradós de la dovela y cargas horizontales sobre las juntas longitudinales, permitiendo variar la excentricidad de los esfuerzos normales8,9.

La metodología identificada dentro del primer grupo presenta las ventajas que se desprenden de un ensayo integral, esto es, la mayor parte de las características y condiciones de borde presentes en un túnel real se encuentran representadas. Sin embargo, las cargas aplicadas se vuelven prohibitivas para la mayoría de los laboratorios y, por lo tanto, su aplicación queda limitada a muy pocas instalaciones. Esto es resuelto con la metodología presente en el segundo grupo, en el que, sin embargo, los esfuerzos característicos son generados con la acción de fuerzas puntuales y no distribuidas como ocurre en la realidad. Asimismo, los efectos derivados de la introducción concentrada de esfuerzos normales en las juntas longitudinales están ausentes. Para estudiar los efectos derivados de la introducción de cargas concentradas, algunos trabajos se concentraron localmente en dichos sectores de la dovela10-12.

El objetivo de este trabajo es presentar un dispositivo para la determinación de la capacidad portante de dovelas replicando los esfuerzos obtenidos de modelos numéricos en estado final de servicio. Se da solución al problema planteado en el párrafo anterior, recopilando las ventajas de cada grupo citado. Esto es, mediante las condiciones de borde impuestas en la introducción de cargas, cuyo funcionamiento es objeto de verificación en este artículo, los especímenes se encuentran expuestos a condiciones similares a las de un túnel real, permitiendo acotar la campaña experimental a un único segmento en lugar del anillo completo.

2. DISEÑO Y DESARROLLO DEL BANCO DE ENSAYOS

El diseño del banco de ensayos persigue la representación del sistema estático mostrado en la Figura 1 (derecha). Se recurrió en primera instancia a un modelado paramétrico, a partir del cual se creó un modelo digital con todas las partes involucradas (Figura 2). Su naturaleza tridimensional permitió identificar incompatibilidades geométricas y corregirlas en la etapa de anteproyecto. Además, del mismo se extrajeron todos los planos de terminación para fabricar los componentes del dispositivo. En la etapa de fabricación, debieron realizarse cambios surgidos de la factibilidad constructiva, entre los que se pueden citar disponibilidad de materiales y soldado de los componentes. Estos cambios fueron introducidos en el modelo digital, surgiendo un proceso iterativo del cual resultaron dos gemelos, digital y real, idénticos. La Figura 2 muestra el resultado del proceso iterativo.

Figura 2. Modelo digital del banco de ensayos (izquierda) y su gemelo real previo al experimento (derecha)

El banco de ensayos consta de dos marcos de acero S355 independientes, vertical y horizontal. Dos cilindros verticales se encuentran anclados al suelo del laboratorio y desplazan los extremos de una viga transversal que los conecta (perfil HEM 1000). Su capacidad de carga es 2,5 y 3,0 MN, respectivamente, de modo que 5 MN pueden introducirse con seguridad. Desde el centro de la viga transversal se introduce carga a dos pórticos paralelos ubicados debajo. Desde los perfiles HEM 700 iniciales se distribuye la carga hacia cuatro perfiles HEM 300, y de ellos hacia la dovela por medio de piezas de acero que copian la curvatura del espécimen. La transmisión de esfuerzos entre perfiles y dovela se realiza por medio de ocho elastómeros armados de 33 mm de espesor, cuyo uso está asociado a tres motivos. En primer lugar, favorecen una distribución de presiones uniforme, evitando picos de tensión debido a las irregularidades en la superficie del hormigón. En segundo lugar, la superficie del elastómero en contacto con el espécimen copia su curvatura debido a su reducida rigidez, garantizando que la introducción de carga se realice sobre todo su ancho. Finalmente, su reducida rigidez transversal permite corrimientos relativos en dirección

tangencial entre acero y hormigón, sin que se generen esfuerzos considerables. De esta manera, solamente se introducen esfuerzos en dirección radial, como es usual en los ensayos de anillo completo y en correspondencia con las hipótesis de carga en los modelos de cálculo usuales13. La conexión entre el segundo y tercer nivel de perfiles tiene lugar por medio de articulaciones. Las rotaciones relativas que estas permiten habilitan al banco de ensayos a adaptarse no sólo a la geometría de distintas dovelas, sino también a las deformaciones del espécimen generadas durante el ensayo. Los esfuerzos verticales son transmitidos hacia los extremos del segmento, donde una construcción en forma de cuña los absorbe, y de allí, por medio de dados de hormigón, se conducen al suelo del laboratorio.

La carga horizontal es inducida por un cilindro hidráulico de capacidad 5 MN dentro de un marco de acero cerrado conformado por dos placas de 100 mm de espesor rigidizadas y cuatro perfiles longitudinales HEB 300. Uno de sus extremos se encuentra unido al suelo por medio de soldaduras, mientras que el extremo opuesto, al que se une el cilindro, se encuentra aislado por medio de polietileno de alto módulo, permitiendo su libre desplazamiento en dirección longitudinal. De este modo, las instalaciones no se ven influenciadas por la carga horizontal aplicada y, simultáneamente, no se generan restricciones al movimiento que podrían restringir la carga que se transmite efectivamente al cuerpo ensayado. La carga del cilindro encuentra en su camino a dos elastómeros, dispuestos horizontalmente, de 33 mm de espesor, cuya función es aislar la zona de introducción de cargas en la dovela, de forma tal que el cilindro no se vea sometido a esfuerzos de corte, que reducen su vida útil. Además, su baja rigidez hace que las rotaciones generadas a partir de las deformaciones durante el proceso de carga sean absorbidas mayormente por el bloque de hormigón subyacente.

En un bloque de acero ubicado entre el cilindro hidráulico y la dovela se produce el encuentro de cargas, como se muestra en la Figura 3. Este consta de un cuerpo principal y de una cuña abulonada, con un ángulo coincidente al de la junta longitudinal de la dovela a ensayar, señalado como α en la Figura 1. La junta abulonada permite reemplazar la cuña para adaptar el ensayo a diferentes geometrías. El cuerpo principal dota al conjunto de mayor inercia y fue diseñado tal que la resultante de las cargas verticales sea transmitida dentro de su núcleo central. Este principio se extendió a la base de hormigón armado en la que se apoya. De esta forma, toda la superficie inferior se ve comprimida y se descarta una apertura de junta.

Para permitir la transmisión de esfuerzo horizontal del cilindro hacia la dovela, el bloque de acero debe desplazarse horizontalmente, lo cual no es trivial considerando que simultáneamente debe transmitir una considerable fuerza vertical. El coeficiente de rozamiento del acero sería suficiente para impedir el desplazamiento y, por lo tanto, no transmitir efectivamente los esfuerzos de diseño. Como solución, se interpuso una capa de politetrafluoroetileno engrasado, posibilitando el desplazamiento relativo necesario para una transmisión completa de esfuerzos entre cilindro y espécimen. Este material ya fue utilizado en otras campañas experimentales de gran complejidad14.

En el lado opuesto al cilindro, la introducción de carga es análoga. La diferencia radica solamente en que el marco introduce en el bloque de acero allí dispuesto una carga reactiva, transmitida por medio de los cuatro perfiles longitudinales que lo conforman.

Figura 3. Detalle de encuentro de fuerza horizontal (H), vertical (V) y resultante (R) en el sector sur del dispositivo

Entre la cuña y el espécimen se disponen placas de fibra de alta densidad (HDF) cuyo ancho resulta el de introducción de carga en la junta longitudinal de la dovela. Se pegan a la superficie de hormigón y, gracias al rozamiento superior entre hormigón y madera en comparación al existente entre acero y madera, persiguen el corrimiento radial de las juntas longitudinales, simulando el comportamiento real presente en túneles, como se grafica en la Figura 1. Para que este mecanismo funcione en forma segura, y en correspondencia con las cargas preponderantes en túneles (corte reducido), la carga debe introducirse en las juntas longitudinales perpendicularmente. De esta forma, la relación entre carga horizontal y vertical debe ser proporcional al ángulo α que presenta la junta longitudinal, constante si no se consideran efectos de segundo orden. En efecto, la proporción entre H y V solamente está ligada a la geometría del cuerpo a ensayar. Siendo que se cuenta con tres cilindros hidráulicos para materializar las cargas, en principio independientes, y que este principio debe valer y ser aplicado para diferentes geometrías, se recurrió a un acoplamiento entre los tres cilindros utilizados por medio del software que los controla. Así, los verticales son accionados por control de desplazamiento, de lo que resulta una fuerza aplicada que se usa como entrada en el software de control y se multiplica por una constante que puede ajustar el operador. Finalmente, el valor de salida es el que controla el cilindro horizontal (controlado por fuerza).

En la situación límite en que la dovela ensayada cubre un ángulo de 53° y, por consiguiente, la carga vertical introducida debe ser igual a la horizontal, el banco de ensayos brinda una capacidad máxima de 5 MN vertical y horizontalmente, lo que se traduce en un esfuerzo normal (que puede ser excéntrico) de hasta 5,6 MN.

Dovelas con un radio mínimo de 1,50 m, longitud de entre 1 y 2,25 m, y espesor de hasta 50 cm pueden ensayarse. Su ancho puede ser de hasta 75 cm. Este, sin embargo, no es un parámetro de relevancia, ya que el problema estudiado es plano y, por lo tanto, independiente de dicha dimensión.

3. EXPERIMENTO

3.1. Materiales y espécimen ensayado

Una dovela con las características mostradas en la Figura 4 se ensayó en el dispositivo hasta la rotura. En la misma figura se indican también las coordenadas geográficas que sirven de orientación para el análisis de los resultados. Las características mecánicas de los materiales utilizados fueron determinadas como el promedio entre los valores de tres muestras, y se detallan en la Tabla 1. El objetivo era alcanzar una resistencia correspondiente a un hormigón H40, que en condiciones de laboratorio alcanza una resistencia cilíndrica media de 44 MPa. Como se observa en los valores obtenidos, el valor se corresponde con los parámetros de diseño. La armadura para resistencia de esfuerzos de fractura transversales en la junta longitudinal se conformó con estribos de dos ramas dispuestos en la dirección de la carga. El radio interno de 3,5 m quedó determinado por el encofrado vertical de acero utilizado para la fabricación del segmento en el laboratorio.

Hormigón Armadura

f´cm fct Ec Designación Diámetro fy Es

[MPa] [-] [mm] [MPa] [MPa]

42.8 3.7 29658.7 B500B 8 540 201000

Tabla 1. Propiedades del hormigón y la armadura de refuerzo utilizados

Figura 4. Dovela usada para el ensayo

3.2. Configuración del ensayo y equipamiento

Dos piezas de HDF con dimensiones 51×750×3 mm3 fueron adheridas a lo largo de las juntas longitudinales con una excentricidad de 32 mm, definiendo el área y la

excentricidad para la introducción de cargas.

En el lado este de la dovela, los desplazamientos verticales y horizontales en las dos esquinas, como también los verticales en su centro, fueron registrados mediante cinco transformadores diferenciales de variación lineal (TDVL), como se observa en la Figura 5 (a). En el lado oeste se repitió la configuración en la esquina sur, mientras que en la restante se utilizó Correlación Digital de Imágenes (DIC), como se muestra en la Figura 5 (b), (c) y (d). Con esto, se logran obtener datos continuos más detallados de la cinemática de un sector de la dovela y de la evolución en el proceso de fisuración en el tiempo, antes de alcanzar el colapso.

DIC permite el seguimiento de puntos aislados o como parte de un continuo en el espacio. Un conjunto de puntos elegidos por el usuario es usado como referencia por el software, de modo que todos los desplazamientos medidos son relativos a este. La superficie del espécimen en donde se realiza la medición se pinta con una pintura de alto contraste para generar un patrón aleatorio. La imagen captada por las cámaras se divide en grupos de píxeles, conformando cada uno una unidad de medición. El patrón aleatorio asegura que las unidades puedan ser identificadas por las cámaras en forma unívoca. El software que opera el equipo utiliza los valores de desplazamiento entre unidades contiguas de medición para calcular valores aproximados de deformación específica. Los picos permiten reconocer cualitativamente la formación de fisuras. La Figura 5 (d) muestra la salida del programa 57 segundos antes de la falla del espécimen.

Hasta alcanzar 536 kN (en dirección vertical) se pronosticaron acomodamientos en el banco de ensayo, en particular en los elastómeros, siendo que en este intervalo de carga poseen menor rigidez. Por esta razón, la velocidad de precarga de los cilindros verticales fue reducida (0,3 mm/min). Finalizado el proceso de precarga, se pausó el ensayo y se realizó una inspección visual del espécimen y del banco de ensayos. No habiéndose registrado inconvenientes, se continuó con el proceso de carga hasta el colapso con 0,5 mm/min, donde los elastómeros poseen mayor rigidez. El cilindro horizontal fue controlado por fuerza automáticamente por el software, como se explicó anteriormente.

Figura 5. (a) Sensores TDVL en la superficie este, (b) equipamiento de medición en la superficie oeste, (c) sistema DIC, (d) salida de DIC

3.3. Resultados

Primeramente, se analiza la respuesta fuerza-deformación en el espécimen. En correspondencia con el comportamiento a compresión radial de un anillo y a la materialización de las condiciones de vínculo en las juntas longitudinales, se producen corrimientos radiales en las mismas. Estos corrimientos producen un desplazamiento de cuerpo rígido de la dovela, que fueron registrados por los sensores DIC y TDVL y se muestran en la Figura 6 (izquierda). Substrayendo sus valores, pueden graficarse las curvas de las cargas horizontal y vertical aplicadas como función de la deformación en el centro de la luz en los lados este y oeste de la dovela u, como se muestra en la Figura 6 (derecha), donde además se observa la curva promedio resultante.

Los desplazamientos de cuerpo rígido en las esquinas registrados tuvieron un valor mínimo de 4.9 mm (esquina sudoeste), y un valor máximo de 8.1 mm (esquina noreste). Las cargas horizontal y vertical alcanzadas fueron 2519,8 kN y 1350,4 kN, respectivamente, a lo que continuó una rotura brusca sin previo aviso. Simple trigonometría permite notar que el ángulo que la fuerza resultante formó con la vertical en la junta longitudinal es de 15°, es decir, perpendicular a la junta, como se había planificado. Componiendo las fuerzas, se puede computar la magnitud resultante (2609 kN), la cual se alcanzó para una deformación promedio de 2,2 mm.

Figura 6. Cargas externas aplicadas como función de los corrimientos verticales en las cuatro esquinas del espécimen (izquierda) y de las deformaciones verticales en

el centro (derecha)

La tecnología DIC permitió hacer un seguimiento del proceso de fisuración en la esquina noroeste de la dovela, que se detalla en la Figura 7. Con el avance del proceso de carga apareció una fisura principal de fractura en dirección paralela a la de introducción de carga en la región de discontinuidad (D), que aumentó en ancho y profundidad al acercarse el momento del colapso. Adicionalmente, en valores cercanos a rotura (Figura 7 (d)) apareció una fisura secundaria que se desarrolló entre el borde superior de la superficie cargada en la junta longitudinal y el extradós de la dovela, con una inclinación aproximada de 11°. Alcanzada la carga de colapso, se produjo un desprendimiento superficial en la zona inmediata a la de introducción de carga, dejando en evidencia un patrón de pequeñas fisuras paralelas en el interior del cuerpo (Figura 7 (f)).

En la Figura 7 (e) se muestran las mediciones realizadas por el sistema DIC justo antes de producirse la rotura. Las mayores deformaciones, identificadas con color rojo, están en consonancia con la zona de desprendimiento superficial de material que se observa en el cuerpo luego de producido el colapso, que se muestra en la Figura 8. Mientras que la fisura principal de fractura no es fácilmente observable, sí lo es la fisura secundaria oblicua que se extendió hacia el borde del espécimen.

Figura 7. Patrón de deformaciones principales registrados por DIC antes y una vez alcanzado el colapso en el sector oeste

Posterior a la recolección de datos y documentación fotográfica, se buscó conocer la posición de la armadura longitudinal respecto a la fisura oblicua formada, ya identificada como secundaria. En efecto, se quitó el material ubicado por encima de la misma sin mayor esfuerzo, ya que la fractura se produjo a lo largo de la armadura. El resultado se muestra en la Figura 8 (derecha).

Figura 8. Patrón de fisuras luego del colapso en lado oeste (izquierda) y espécimen luego de retirar material suelto (derecha)

3.4. Discusión

A continuación, se discuten los resultados mostrados con el objeto de derivar implicancias relevantes para futuros proyectos de investigación y la industria.

El movimiento de cuerpo rígido reflejado en la Figura 6 demuestra una apreciable diferencia en su magnitud en las cuatro esquinas. Esto puede asociarse a un proceso de fisuración desparejo en lo ancho del segmento, que a su vez tiene como efecto una torsión longitudinal, evidenciada al medir deformaciones desparejas en los lados este y oeste. Esto es inherente a la presencia natural de imperfecciones en el material ensayado.

Los desplazamientos verticales en las esquinas tienen además relevancia para el estudio del comportamiento de la junta longitudinal. En la Figura 9, comparando la posición relativa de los elementos antes (izquierda) y después (derecha) del ensayo en la esquina sudeste, puede observarse que el HDF usado como transición se desplazó junto a la pieza de hormigón, deslizándose a lo largo de la cuña de acero. Similar comportamiento fue registrado en las tres esquinas restantes. Esto guarda relación con el modelo estático de partida mostrado en la Figura 1, necesario para reducir el estudio a un solo segmento del anillo.

El patrón de fisuras mostrado anteriormente permite inducir que la capacidad portante fue alcanzada en la región de discontinuidad de la junta longitudinal norte a causa de los efectos de introducción de cargas concentradas. Un simple estudio de la sección rectangular transversal sometida a flexión compuesta con los valores de carga máximos alcanzados permite apreciar que el factor de utilización de la pieza es del 49%. Esto lleva a la suposición preliminar que el comportamiento en el sector medio de la dovela puede asumirse lineal. Consiguientemente, es posible comparar el resultado con el de un modelo de barras lineal en el que se cumple la hipótesis de permanencia de secciones planas luego de la deformación. En la Figura 10 (izquierda) se muestra el modelo asumido. La geometría en arco es generada por medio de 100 elementos lineales interconectados, cantidad suficiente para el largo y radio de curvatura que presenta. Los extremos se suponen como los de una viga simplemente apoyada, de modo que se descarta la necesidad de analizar corrimientos de cuerpo

rígido como en la campaña experimental. Las cargas introducidas se corresponden con las alcanzadas en el ensayo. La excentricidad en la introducción de carga en las juntas longitudinales se modela como momentos flexores iguales y de signos opuestos en las mismas.

Figura 9. Toma fotográfica de la esquina sudeste antes (izquierda) y después (derecha) del ensayo

La Figura 10 (derecha) muestra el resultado experimental junto a la salida del modelo suponiendo crecimiento lineal y constante de cargas, alcanzando el máximo para un valor de deformación de 2 mm. Aún más relevancia reviste la rigidez. Luego de acomodamientos iniciales en el experimento, la curva mantiene una pendiente constante similar a la del modelo. Esto indica que el comportamiento del espécimen y del banco de ensayos fueron acertados. La determinación estática del pórtico vertical colaboró a una introducción equitativa de cargas sobre el extradós del espécimen.

Los diagramas característicos obtenidos demuestran que el número de cargas introducidas en el extradós es suficiente para asumir una distribución superficial de cargas. Los momentos flexores son, como es de esperarse, algo mayores en donde las cargas son introducidas. Sin embargo, este efecto tiene menor relevancia.

El patrón de fisuras observado en la Figura 7 y 8 se corresponde con un fallo típico en estructuras cargadas parcialmente. Las tensiones transversales de tracción que se producen para distribuir los esfuerzos de compresión en todo el espesor de la pieza son inicialmente soportadas por el hormigón hasta que se alcanza su resistencia a la tracción. Es allí cuando se fisura y el esfuerzo se traslada a los estribos. Esta fisura es la identificada anteriormente como principal, que con el aumento de carga crece y como consecuencia, se reduce el confinamiento lateral del hormigón, hasta que este alcanza su capacidad portante. La carencia de armadura como consecuencia del recubrimiento mandatorio dejó en evidencia la debilidad de la estructura en ese sector. El fisuramiento secundario produjo una separación de material inevitable.

Figura 10. Curvas fuerza-deformación obtenidas del modelo teórico (graficado en la izquierda) y de la campaña experimental

Además de brindar las condiciones de vínculo apropiadas, el HDF es también el medio de introducción de carga. El hecho que no haya un desplazamiento relativo con el hormigón asegura una constancia en la excentricidad y superficie con que se transmiten los esfuerzos. Siendo el primer aspecto de relevancia para el comportamiento global (la excentricidad determina el momento flexor actuante), el segundo está en directa relación con la capacidad portante a causa de la acción de cargas concentradas. En efecto, el estado de tensión biaxial presente en la región contigua a la introducción de cargas permite una presión de contacto superior a la resistencia media del hormigón, si existe armadura que absorba los esfuerzos de tracción transversales resultantes, como es en este caso. La presión de contacto normalizada respecto a la resistencia media a la compresión del hormigón β puede calcularse empleando la Ecuación (1).

𝛽 = 𝑅

𝑓𝑐𝑚 ∙ 𝐴0

(1)

Siendo A0 el área de las placas de HDF. Se obtiene así para la carga máxima un valor de β de 1,59. Este aumento en la capacidad portante es actualmente tenido en cuenta por los reglamentos sólo en forma parcial para casos planos. Existen, sin embargo, estudios que brindan recomendaciones para incluirla en la etapa de dimensionamiento15.

4. CONCLUSIONES

En este trabajo se presentó un banco de ensayos que permite el análisis de la capacidad portante de túneles construidos con tuneladora en etapa de servicio. Aplicando las condiciones de vínculo que reflejan el comportamiento imperante en un anillo cargado radialmente con los esfuerzos resultantes de modelos teóricos, el estudio experimental puede reducirse a un único segmento, y de este obtener su capacidad portante. El mismo ofrece condiciones de borde cercanas a las presentes en túneles reales, que son principalmente la introducción de fuerzas distribuidas sobre

el extradós y los efectos derivados de la introducción de fuerzas concentradas en las juntas longitudinales.

Su comportamiento pudo ser validado comparándolo con el de un modelo de barras con análisis lineal, vislumbrando una correcta distribución de esfuerzos como se supuso en la etapa de diseño.

La reducción geométrica empleada permite concentrar la capacidad de carga que puede suplir un laboratorio a un único segmento. De esta forma, el banco de ensayos construido asegura, mediante tres cilindros hidráulicos acoplados, la introducción de hasta 5,6 MN en dirección axial, que resulta suficiente para el ensayo de dovelas presentes en una gran mayoría de proyectos en escala real y, por consiguiente, se consiguen despreciar efectos de escala.

Los mecanismos de falla más relevantes pueden estudiarse en un único experimento, siendo ellos el fallo en la zona de discontinuidad (D) y fallo por flexión compuesta en el sector medio del segmento, brindando la posibilidad de analizar al mismo tiempo la relevancia de cada uno de ellos bajo una determinada hipótesis de carga.

Este estudio se limitó a la etapa de servicio. El comportamiento revelado en el experimento es el que gobierna sobre las dovelas en proyectos reales durante dicha etapa. En efecto, el sector medio se encuentra descargado, mientras que la mayor utilización de la pieza se alcanza en las juntas longitudinales.

Los estudios actuales del autor se concentran en métodos para el refuerzo de las zonas de discontinuidad, de modo que un mayor factor de utilización pueda ser alcanzado en el resto del cuerpo de la dovela. Esto abre la posibilidad de reducir el espesor necesario del túnel, siempre y cuando se garantice la impermeabilidad hidráulica, para lograr un factor de utilización más homogéneo con la misma capacidad portante. El banco de ensayos permitirá verificar los nuevos conceptos experimentalmente.

5. AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el soporte económico brindado por la Sociedad Alemana de Investigación (Deutsche Forschungsgemeinschaft – DFG) en el marco del proyecto B1 del centro de investigación SFB 837 Interaction Modelling in Mechanized Tunneling.

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