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UNIVERSIDAD DE CHILEFACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICASDEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL

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SOLUCIONES DE SELLOS PARA JUNTAS EN TABLEROS DE PUENTES

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

CARLOS ALBERTO ORTÚZAR NÚÑEZ

PROFESOR GUÍA:FEDERICO DELFIN ARIZTIA

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:PEDRO ACEVEDO MOYANOVLADIMIR TORRENS FUNEZ

SANTIAGO DE CHILEENERO 2007

AGREDECIMIENTOS: Quiero agradecer a mi profesor guía Federico Delfín por la paciencia y buena voluntad, a mis padres que me apoyaron y alentaron a concluir este trabajo, también quisiera agradecer a mis tíos Carlos Núñez, Gabriel Ortúzar, Pepi y mi prima Daniela Charme.

1 INTRODUCCION:..................................................................................................................... 6 1.1 ANTECEDENTES: ............................................................................................................... 6

1.2 GENERALIDADES:............................................................................................................. 7

2 ANALISIS DE LAS VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO DE LAS JUNTAS: ............................................................................................................................... 9

2.1 Evaluación del movimiento de la junta: ................................................................................ 9

2.2 Movimientos Térmicos:....................................................................................................... 10

2.3 Movimientos Irreversibles:.................................................................................................. 11 2.3.1 Retracción:.................................................................................................................... 11 2.3.2 Creep............................................................................................................................. 12

2.4 Solicitaciones sísmicas: ....................................................................................................... 12 2.4.1 Análisis del Espectro de Respuesta: ............................................................................. 12 2.4.2 Placas de Apoyo: .......................................................................................................... 13

2.5 Otros factores: ..................................................................................................................... 14 2.5.1 Efecto de las placas de apoyo:...................................................................................... 14 2.5.2 Cargas vivas, movimiento inducido por el tráfico:....................................................... 16 2.5.3 Esviaje .......................................................................................................................... 17

3 TIPOS DE JUNTAS DE EXPANSION Y SUS CARACTERÍSTICAS.............................. 19

3.1 Juntas Abiertas: ................................................................................................................... 19 3.1.1 Junta Armada o con guarda canto: ............................................................................... 19 3.1.2 Junta con placa deslizante: ........................................................................................... 20 3.1.3 Junta dentada: ............................................................................................................... 20

3.2 Juntas Cerradas:................................................................................................................... 22 3.2.1 Sellos Moldeados in Situ: ............................................................................................. 23

3.2.1.1 Sellos Termoestables, Curado Químico: ............................................................... 23 3.2.1.2 Sello Asfáltico Modificado con Polímeros Aplicados en Caliente: ...................... 25

3.2.2 Sellos Preformados:...................................................................................................... 26 3.2.2.1 Sello en Compresión: ............................................................................................ 26 3.2.2.2 Sello en Franja o Membrana: ................................................................................ 28 3.2.2.3 Sello de neopreno inflable (Jeene): ....................................................................... 28 3.2.2.4 Sello Elastomérico Reforzado: .............................................................................. 29 3.2.2.5 Sistemas Modulares o de Rieles: ........................................................................... 30 3.2.2.6 Instalación de dispositivos preensamblados:......................................................... 30

4 NORMAS QUE REGULAN EL DISEÑO DE LAS JUNTAS ............................................. 32 4.1 Norma AASHTO................................................................................................................. 32

4.1.1 Cargas y movimientos: ................................................................................................. 32 4.1.2 Requerimientos para Juntas:......................................................................................... 32

4.1.2.1 Diseño estructural:................................................................................................. 33 4.1.2.2 Geometría: ............................................................................................................. 34 4.1.2.3 Materiales: ............................................................................................................. 34 4.1.2.4 Mantención: ........................................................................................................... 35

4.1.3 Selección: ..................................................................................................................... 35 4.1.3.1 Numero de juntas:.................................................................................................. 35 4.1.3.2 Ubicación de las juntas. ......................................................................................... 36

4.1.4 Requerimientos del diseño: .......................................................................................... 36 4.1.4.1 Movimientos durante la construcción: .................................................................. 36 4.1.4.2 Movimientos en servicio ....................................................................................... 37 4.1.4.3 Protección .............................................................................................................. 37 4.1.4.4 Placas deslizantes .................................................................................................. 38 4.1.4.5 Junta Armadas ....................................................................................................... 38 4.1.4.6 Anclajes: ................................................................................................................ 38 4.1.4.7 Pernos: ................................................................................................................... 38

4.1.5 Instalación: ................................................................................................................... 39 4.1.6 Ajustes: ......................................................................................................................... 39

4.1.6.1 Empalmes en terreno ............................................................................................. 40 4.1.7 Consideración para tipos de juntas especificas: ........................................................... 40

4.1.7.1 Juntas Abiertas: (Esquema 3.1.1 fig. 6)................................................................. 40 4.1.7.2 Juntas Cerradas:..................................................................................................... 41 4.1.7.3 Impermeabilización de juntas................................................................................ 41 4.1.7.4 Sellos moldeados in situ (Esquema 3.2.1.1 fig. 11) .............................................. 41 4.1.7.5 Sellos en compresión (Esquema 3.2.2.1 fig. 14) ................................................... 42 4.1.7.6 Sellos en franja (Esquema 3.2.2.2 fig. 16)............................................................. 42 4.1.7.7 Sello elastomérico reforzado: (Esquema 3.2.2.4 fig. 18) ...................................... 42 4.1.7.8 Sellos modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19)......................................................... 43

4.2 Norma A.C.I. ....................................................................................................................... 43 4.2.1 Juntas en Construcciones de Hormigón: ...................................................................... 43 4.2.2 Guía para el Sellado de Juntas en Estructuras de Hormigón [2] .................................. 44

4.2.2.1 Funcionamiento de los sellos: ............................................................................... 44 4.2.2.2 Fallas en los sellos: ................................................................................................ 45 4.2.2.3 Efectos de temperatura: ......................................................................................... 47 4.2.2.4 Factor de forma en sellos moldeados in situ: ........................................................ 49 4.2.2.5 Función de materiales de soporte y bond breakers................................................ 50 4.2.2.6 Determinación de los anchos para sellos moldeados in situ.................................. 51 4.2.2.7 Selección del tamaño de los sellos en compresión:............................................... 51 4.2.2.8 Instalación: ............................................................................................................ 54

5 ANÁLISIS DE LOS MATERIALES DE SELLO PARA JUNTAS .................................... 55 5.1 Materiales para sellos .......................................................................................................... 55

5.1.1 Materiales para Sello Moldeados en Situ: .................................................................... 56 5.1.2 Materiales para Sellos Preformados: ............................................................................ 57

5.2 Análisis de las Especificaciones .......................................................................................... 57 5.2.1 Sellos Termoestables de curado químico: (Esquema 3.2.1.1 fig. 11) .......................... 58

5.2.1.1 Preparación de la probeta: ..................................................................................... 58 5.2.1.2 Curado del Sello .................................................................................................... 58 5.2.1.3 Ensayo: .................................................................................................................. 59 5.2.1.4 Selección del sello: ................................................................................................ 59

5.2.2 Sellos Asfálticos Modificados con Polímeros: (Esquema 3.2.1.2 fig. 12) ................... 60 5.2.2.1 Recubrimiento Asfáltico:....................................................................................... 60

5.2.2.1.1 Ensayo de Punto de Ablandamiento:.............................................................. 60

5.2.2.1.2 Ensayo de Ductilidad...................................................................................... 60 5.2.2.1.3 Ensayo de Penetración a Temperatura baja:................................................... 61 5.2.2.1.4 Ensayo de penetración.................................................................................... 61 5.2.2.1.5 Tensión de adhesión ....................................................................................... 62 5.2.2.1.6 Fluencia .......................................................................................................... 62 5.2.2.1.7 Resiliencia ...................................................................................................... 62 5.2.2.1.8 Flexibilidad..................................................................................................... 63 5.2.2.1.9 Asphlt Compatibility ...................................................................................... 63

5.2.2.2 Barra de Apoyo...................................................................................................... 63 5.2.2.3 Agregado: .............................................................................................................. 64 5.2.2.4 Placa: ..................................................................................................................... 64

5.2.3 Sellos en Compresión: (Esquema 3.2.2.1 fig. 14) ........................................................ 64 5.2.3.1 Recuperación elástica: ........................................................................................... 64 5.2.3.2 Propiedades de Extensión-Compresión. ................................................................ 65 5.2.3.3 Resistencia a la tracción ........................................................................................ 65 5.2.3.4 Dureza.................................................................................................................... 66 5.2.3.5 Envejecimiento al Horno....................................................................................... 66 5.2.3.6 Hinchamiento ........................................................................................................ 66 5.2.3.7 Resistencia al ozono .............................................................................................. 67

5.2.4 Sellos en Franja. (Esquema 3.2.2.2 fig. 16).................................................................. 67 5.2.4.1 Resistencia a la tracción ........................................................................................ 67 5.2.4.2 Dureza.................................................................................................................... 68 5.2.4.3 Envejecimiento al Horno:...................................................................................... 68 5.2.4.4 Hinchamiento: ....................................................................................................... 68 5.2.4.5 Resistencia al Ozono: ............................................................................................ 68 5.2.4.6 Rigidez a baja temperatura: ................................................................................... 68 5.2.4.7 Compresión: .......................................................................................................... 69

5.2.5 Juntas Elastoméricas Reforzadas: (Esquema 3.2.2.4 fig. 12)....................................... 69 5.2.5.1 Ensayos de la probeta sin envejecer: ..................................................................... 69 5.2.5.2 Ensayos de la probeta sometida a envejecimiento: ............................................... 70 5.2.5.3 Compresión: .......................................................................................................... 70 5.2.5.4 Resistencia al ozono: ............................................................................................. 70 5.2.5.5 Placa de Refuerzo: ................................................................................................. 70

5.2.6 Adhesivos: .................................................................................................................... 71 5.2.6.1 Contenido de sólidos: ............................................................................................ 71 5.2.6.2 Viscosidad y Relación de Corte: ........................................................................... 72 5.2.6.3 Lubricating Life..................................................................................................... 72 5.2.6.4 Sag: ........................................................................................................................ 72 5.2.6.5 Peel Strength:......................................................................................................... 72

5.2.7 Juntas Modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19) ............................................................... 73 5.2.7.1 Ensayo OMV (Opening Movement Vibration test) .............................................. 73

5.2.7.1.1 Definición de la Falla: .................................................................................... 74 5.2.7.2 Ensayo SPO (Seal Push Out Test)......................................................................... 74

5.2.7.2.1 Aplicación de la carga: ................................................................................... 75 5.2.7.2.2 Definición de la falla. ..................................................................................... 75

5.2.7.1 Requerimientos para los materiales que componen los sistemas modulares......... 76 5.2.7.1.1 Sellos Elastoméricos:...................................................................................... 76 5.2.7.1.2 Otros Materiales: ............................................................................................ 76

6 DESEMPEÑO, MANTENCIÓN E INSPECCION: ............................................................. 78 6.1 Desempeño: ......................................................................................................................... 78

6.1.1 Juntas Abiertas: ............................................................................................................ 78 6.1.1.1 Junta Armada o con guarda canto: (Esquema 3.1.1 fig. 6).................................... 79 6.1.1.2 Junta con placa deslizante: (Esquema 3.1.2 fig. 7)................................................ 79 6.1.1.3 Junta dentada: (Esquema 3.1.3 fig. 8) ................................................................... 79

6.1.2 Juntas cerradas:............................................................................................................. 82 6.1.2.1 Sellos moldeados in Situ: ...................................................................................... 82

6.1.2.1.1 Sellos Termo Endurecidos, Curado Químico: (Esquema 3.2.1.1 fig. 11) ...... 82 6.1.2.1.2 Sellos Asfálticos Modificados con Poliméricos: (Esquema 3.2.1.2 fig. 12) .............................................................................................. 83

6.1.2.2 Sellos Preformados ................................................................................................ 83 6.1.2.2.1 Sellos en compresión: (Esquema 3.2.2.1 fig. 14) ........................................... 83 6.1.2.2.2 Sellos en franja: (Esquema 3.2.2.2 fig. 16) .................................................... 84 6.1.2.2.3 Sello de neopreno inflable (Jeene): (Esquema 3.2.2.3 fig. 17)....................... 84 6.1.2.2.4 Sello Elastomérico Reforzado: (Esquema 3.2.2.4 fig. 18) ............................. 84 6.1.2.2.5 Sistemas Modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19) ............................................. 85

6.2 Experiencia en el extranjero: ............................................................................................... 86

6.3 Mantenimiento:.................................................................................................................... 87 6.3.1 Mantenimiento recomendado para cada sistema de junta: ........................................... 87

6.3.1.1 Juntas Abiertas: ..................................................................................................... 87 6.3.1.2 Juntas Cerradas:..................................................................................................... 88

6.3.1.2.1 Sellos Moldeados in situ:................................................................................ 88 6.3.1.2.2 Sellos Preformados:........................................................................................ 88

7 SELECCIÓN Y BUENA PRÁCTICA.................................................................................... 89 7.1 Recomendaciones: ............................................................................................................... 89

7.1.1 Implementar un programa preventivo de mantenimiento: ........................................... 89 7.1.2 Usar blockout en la junta de cubierta ........................................................................... 89 7.1.3 Proteger en contra movimientos inusuales ................................................................... 90 7.1.4 Construir el tamaño de la abertura adecuado................................................................ 90

7.2 Selección: ............................................................................................................................ 90

8 DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................. 92

8.1 Discusión: ............................................................................................................................ 92 8.1.1 Factores que influyen en el movimiento de juntas de expansión: ................................ 92 8.1.2 Aplicación Puente Aconcagua:..................................................................................... 92 8.1.3 Tipos, desempeño y selección de sellos: ...................................................................... 93 8.1.4 Normas y Especificaciones de Materiales:................................................................... 94

8.2 Conclusiones: ...................................................................................................................... 95 8.2.1 Selección y Desempeño:............................................................................................... 95 8.2.2 Aplicación Puente Aconcagua:..................................................................................... 96

8.3 Recomendaciones: ............................................................................................................... 97

ANEXO A: CÁLCULO DEL MOVIMIENTO EN LAS JUNTAS ........................................ 98

ANEXO B: DETERMINACIÓN DEL RANGO TOTAL DE MOVIMIENTO EN UN PUENTE REAL......................................................................................................................... 101

1. Movimientos Térmicos:............................................................................................... 101 2. Movimientos Irreversibles:.......................................................................................... 102 3. Solicitación Sísmica: ................................................................................................... 104 4. Cubicación del Tablero Puente Aconcagua:................................................................ 105 5. Otras Variables: ........................................................................................................... 106 6. Movimientos Totales: .................................................................................................. 106

ANEXO C: GLOSARIO........................................................................................................... 107

BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS...................................................................................... 110 PLANOS:

1. Detalle 2. Vista General 3. Detalle Tablero 4. Viga Metalica

1 INTRODUCCION:

1.1 ANTECEDENTES:

En nuestro país la infraestructura vial ha experimentado un fuerte desarrollo, acorde al constante crecimiento económico de los últimos años, es por esto que la construcción de nuevas carreteras y líneas de transporte público, como el Metro y Ferrocarriles, seguirán extendiendo y mejorando los sistemas viales ya existentes. Por otra parte, existe suficiente evidencia que la infraestructura vial particularmente los puentes, requieren de un cuidado y mantención especial para asegurar su vida útil. El Ministerio de Obres Publicas (MOP) encomendó una investigación conjunta entre la Dirección de Investigaciones Científicas y Tecnológicas de la Pontificia Universidad Católica de Chile (DICTUC), y el Centro de Investigación, Desarrollo e Innovación de Estructuras y Materiales (IDIEM) para realizar un catastro de 36 puentes, destinando un monto de $11.540 millones para la reparación de todas las estructuras dañadas, 6 de las cuales serán reemplazadas. Los resultados de la investigación revelaron que los daños principales se encontraron bajo las juntas, las cuales no contaban con sistemas de sellado adecuados para proteger los elementos estructurales de la corrosión y el desgaste producto del ingreso del agua y escombros a través de las juntas. [16,17] Este trabajo consiste en una recopilación y análisis de la información disponible actualmente destacando los puntos de mayor relevancia en el diseño y utilización de sellos en juntas, los cuales constituyen un aspecto crítico para la durabilidad y el funcionamiento eficiente de los puentes. En primer lugar se estudiaron los factores que afectan el movimiento en las juntas de puentes con la finalidad de poder cuantificar a través de los modelos matemáticos encontrados en la literatura el rango total de movimiento que en definitiva gobernará el diseño, funcionamiento y desempeño del sello en la junta. Además, se presenta un ejemplo de un puente real al cual se le aplican las ecuaciones teóricas simulando el movimiento esperado en sus juntas. Con el objeto de garantizar el buen uso y la práctica de los sistemas de juntas, se caracterizaron las distintas soluciones describiendo su estructura, limites de servicialidad, requerimientos de diseño señalados en las normas internacionales y las especificaciones para los materiales que las componen, junto con recomendaciones para su selección, instalación y mantención. En consecuencia esta memoria será de gran utilidad para estudiantes, ingenieros de puentes, diseñadores y fabricantes de sistemas de sello a nivel nacional, los cuales podrán encontrar información actualizada sobre las diferentes soluciones, respaldada por la experiencia y tecnología de países desarrollados.

1.2 GENERALIDADES:

La función de la losa del puente es distribuir las cargas vehiculares a través de la superestructura a las cepas y fundaciones. Comúnmente el hormigón armado es el material utilizado para formar la losa de cubierta, ya que, provee resistencia y durabilidad adecuada. Tensiones de tracción pueden afectar a la estructura del puente por el asentamiento de cepas, diferencias de temperatura y cambios volumétricos en el hormigón, pueden generar fisuras y grietas de importancia. Por lo cual, el ingeniero que diseña puentes responde ante esta situación en dos formas, puede minimizar o eliminar las juntas, diseñando los elementos de la superestructura y subestructura de tal forma de resistir las tensiones generadas por estos desplazamientos, o bien puede, proveer aberturas (Juntas de Expansión) en el tablero, perpendiculares a la dirección significativa del movimiento, como las que se muestran en la figura 1. [7]

El daño en las juntas de puentes causan millonarias pérdidas para el Ministerio de Obras Públicas, esto incluye tanto a la junta como a los elementos que quedan afectados por la acción del agua y escombros que se introducen en las juntas del tablero. Para reducir el daño bajo la cubierta los diseñadores llenan o cubren la junta con materiales de sello flexibles. Al principio se empleaban diseños que no impedían el paso del agua y los escombros desde el tablero, sin embargo en los últimos 40 años se han empleados materiales flexibles para cerrar y sellar la junta, aunque ninguno de ellos ha logrado funcionar a la perfección, lo cual explica por que se han seguido desarrollando nuevos dispositivos y materiales. [10,2]

El objetivo principal es lograr una junta que presente las siguientes propiedades:

1. Capaz de acomodar movimientos de servicio y sismos 2. Estanquidad al agua. 3. Con el menor mantenimiento posible. 4. Que sea tan durable como el tablero mismo. 5. Sea confortable para los usuarios, es decir que mantenga nivelada la superficie de rodado

del puente sin irregularidades perceptibles al tráfico.

Actualmente se dispone de materiales y sistemas de sello que reúnen la mayoría de esas propiedades, sin embargo, todas requieren mantenimiento para su correcto funcionamiento y así evitar daños estructurales costosos.

Fig. 1: Grafica de la ubicación de las Juntas.

2 ANALISIS DE LAS VARIABLES QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO DE LAS JUNTAS:

El factor principal para determinar el tipo de junta requerida es el rango total de movimiento que éstas deben acomodar a lo largo del ciclo anual, es por esta razón que es de gran importancia analizar las variables que influyen en el movimiento de las juntas.

2.1 Evaluación del movimiento de la junta: En las juntas de puentes es posible encontrar movimientos en todos los grados de libertad, tres traslaciones y tres rotaciones como se muestra en la figura 2, sin embargo, el más importante es el de traslación en el eje longitudinal del puente, ya que es el de mayor magnitud tanto para efectos estáticos como para dinámicos, siendo éste el movimiento que determina el desempeño de los sellos. Los movimientos de las juntas se presentan para las condiciones de servicio del puente y para solicitaciones sísmicas eventuales y al sumarse ambas se obtiene el movimiento total. [17] Si la superestructura es de hormigón, los movimientos que se deben considerar bajo condición de servicio son: el acortamiento elástico de pretensado, creep, retracción del hormigón y efectos de la temperatura y humedad, en cambio, si la superestructura es de acero, los movimientos que se deben calcular son solo por efectos de temperatura. [7] Otros factores que deben ser considerados para determinar la magnitud del movimiento requerido, incluyen consideraciones de los efectos de esviaje, asentamiento, rotaciones debido a cargas vivas, y la resistencia al movimiento por parte de las placas de apoyo y subestructura. [1,3]

Fig.2: Seis grados de libertad

A menudo, la única componente del movimiento del puente que se calcula, es la traslación longitudinal, sin embargo puentes inusualmente anchos tienen movimientos transversales significativos. [8]

2.2 Movimientos Térmicos: El movimiento térmico depende de la composición del tablero, geometría de la estructura y el largo de expansión, junto con el rango de la temperatura ambiental y el gradiente temperatura a través del tablero. [10] Para calcular el movimiento térmico, se debe contar con el rango de las temperaturas extremas de la región donde se ubica el puente, el largo de expansión y el coeficiente de expansión térmica de hormigón. [1,3]

tKLTL ⋅⋅Δ=Δ (1) Donde,

LΔ = Movimiento térmico en mm TΔ = Rango de Temperatura Extremas, en ºC;

L = Largo del tramo, en mm; tK = Coeficiente de Expansión Térmica, en mm/m/ºC;

Además, se debe asegurar que el movimiento calculado de esta manera, sea el 75 % del valor de diseño para la junta, es decir, el rango de movimiento de diseño para la junta debe ser mayor o igual que 1.33 x LΔ . [18] El coeficiente de expansión térmica en tableros de hormigón, depende principalmente del tipo y proporción del agregado usado y el grado de saturación del hormigón. [10] En ausencia de información precisa, la AASHTO recomienda los siguientes valores para los coeficientes de expansión térmica:

Tabla 1: Coeficientes de expansión térmica Material tK ( Cmmm /º/ )

Hormigón de densidad normal (2.4 t/m³) 3108.10 −× Hormigón de baja densidad (1.6 – 1.9 t/m³) 3109 −×

Acero 12 310−× En la tabla 2 se presentan los valores del coeficiente de expansión térmica para distintos tipos de estructuras de puentes, derivados de mediciones de movimiento y temperaturas efectivas en un periodo de un año. [10]

Tabla 2: Respuesta Térmica de varios tipos de puentes.

Tipo de Puente Respuesta Térmica medida

tK ( Cmmm /º/ ) Vigas de hormigón y losa de cubierta con una sección cajón de hormigón de altura variable

3104.10 −×

Sección cajón de hormigón 31012 −× Viga y tablero de hormigón 3105.10 −× Tablero de hormigón alivianado 3107.12 −× Tablero de hormigón macizo 3106 −× Tablero de hormigón sobre vigas cajón de acero 3108.11 −× Tablero de hormigón sobre vigas I de acero 3105.10 −×

Para el cálculo de los coeficientes, el factor que más influye en los movimientos medidos en estas investigaciones, fue el relacionado con los cambios de la temperatura efectiva del tablero. [11]

2.3 Movimientos Irreversibles: Los movimientos irreversibles son dos, el primero es la retracción del hormigón, y el segundo es la deformación diferida en el tiempo o Creep del hormigón. Estas son propiedades que dependen de varios factores, alguno de los cuales pueden no ser conocidos al momento del diseño y ocurren en un periodo mayor a los 20 años. [1,5] Los métodos para determinar la retracción y el creep, están tomados de Collins y Mitchell (1991) y éstos se basan en las recomendaciones del ACI 209. [1]

2.3.1 Retracción: La retracción es un fenómeno de reducción volumétrica que experimenta el hormigón durante el proceso de secado debido a la pérdida del agua no ligada en la hidratación. La retracción del hormigón puede variar en un amplio rango, mínima si se mantiene continuamente inmerso en agua, hasta exceder una deformación unitaria de 0.0008, para secciones delgadas hechas con agregados de alta retracción y secciones que no son apropiadamente curadas. La retracción se ve afectada por: - Las características del agregado y proporción entre el cemento y el agregado; - Rango de humedad ambiente; - Relación agua/cemento; - Tipo de Curado y duración; - Relación área volumen de la sección; - Edad del hormigón considerada. Las expresiones para calcular la retracción del hormigón se presentan en el anexo A.

2.3.2 Creep El creep se define como la deformación bajo carga constante dependiente del tiempo, y está influenciada por los mismos factores que la retracción como también: [1,5] - Magnitud y duración de la carga; - Madurez del concreto al momento de la carga, y; - Temperatura del concreto. La deformación por creep es aproximadamente proporcional al esfuerzo producido por las cargas normales de servicio. Las expresiones para calcular el Creep del hormigón se presentan en el anexo A.

2.4 Solicitaciones sísmicas: Para lograr comprender la naturaleza del movimiento de las juntas durante un sismo, es necesario conocer el método de análisis que existe para modelar la respuesta de la estructura frente a cargas sísmicas. También se debe analizar el comportamiento y el diseño de las placas de apoyo, que influye directamente en los rangos de movimientos que experimentara la junta durante las solicitaciones sísmicas.

2.4.1 Análisis del Espectro de Respuesta: Para este análisis solo los valores máximos de la respuesta del sismo son suficientes y las respuestas en cada modo de vibrar de la estructura pueden ser calculadas usando un grado generalizado de libertad. Se deben incluir en el análisis la cantidad suficiente suficientes modos, para asegurar que la masa efectiva incluida en el modelo es al menos 90% de la masa total de la estructura. [4,12,13] A pesar que el análisis lineal, es por lejos el método más común en el análisis y diseño de puentes, la verdadera respuesta de los elementos del puente a los terremotos es no lineal, por que la rigidez de los elementos cambia durante los sismos, esto debido al comportamiento del material y a la geometría cambiante de los elementos. [4] El análisis y diseño de superestructuras del puente, está usualmente controlado por cargas verticales no-sísmicas, es así que el análisis y el diseño es dominado por requerimientos de esfuerzo y funcionalidad. Como consecuencia, la estructura del puente en sus rótulas o apoyos isostáticos es fuerte y rígida, particularmente en la dirección horizontal, donde las fuerzas inerciales sísmicas tienden a ser mayores. Se ha observado que en sismos pasados la superestructura no ha experimentado un daño significativo y se ha mantenido en el rango lineal. [4]

2.4.2 Placas de Apoyo: Las rótulas de la superestructura son susceptibles a daño por las cargas laterales del sismo. Las rotulas consisten en una placa de apoyo para transferir las cargas verticales de los elementos soportantes y llaves de corte para limitar los movimientos horizontales en la dirección transversal del puente. [4,12] Las placas de apoyo pueden ser clasificadas en dos categorías, las que son diseñadas para transmitir la fuerza sísmica a los componentes adyacentes; y las que cumplen una función aisladora y que son diseñadas para transmitir y reducir la fuerza por medio de la disipación de la energía (concepto de aislamiento) o por redistribución. Idealmente estas placas de apoyo basadas en el aislamiento resisten las fuerzas sísmicas reducidas, restringen los desplazamientos, disipan la energía y retornan la estructura a la posición original después del sismo. [4,15] Las placas de apoyo más comunes son de acero y elastoméricas. Las de acero son diseñadas para actuar como rodillo o conector. La respuesta de corte horizontal de las placas de apoyo elastoméricas es no-lineal hasta para cargas bajas. La rigidez al corte de las placas varía con el desplazamiento de corte, frecuencia dinámica de la carga y la magnitud de la carga vertical. [4,12] La pérdida de apoyo para la superestructura es la forma más severa de falla para el puente. Una de las mayores causas para este tipo de falla, es el inadecuado largo de soporte en los extremos de las vigas. La AASHTO 1996, requiere los siguientes largos de soporte para cada categoría de desempeño sísmico. (SPD): SPC A y B HLN ⋅+⋅+= 66.667.1203 (mm.) (2) SPC C y D HLN ⋅+⋅+= 105.2305 (mm.) (3) Donde; L = Largo en m del tablero del puente desde el soporte en consideración hasta la junta adyacente. N = Largo de soporte mínimo en mm. H = Altura de la columna o cepa en m. Los apoyos más utilizados en la actualidad son los apoyos elastoméricos, compuestos de neopreno, reforzados con placas de acero. Algunos ejemplos se encuentran en la figura 3, donde se muestran tres tipos, el primero resiste la carga deformándose en la dirección donde se aplica la carga; el segundo se desliza después que la resistencia a la fricción ha sido excedida; el tercero tiene un cilindro de corte que limita la deformación del elastómero.

Fig. 3: Tipos de Apoyos Elastoméricos

2.5 Otros factores:

2.5.1 Efecto de las placas de apoyo: Cualquier movimiento horizontal de la superestructura del puente será contrarrestado por la resistencia de las placas de apoyo y la rigidez o resistencia a la flexión de los elementos de la subestructura. La rigidez de los estribos, la flexión relativa de las cepas y el tipo de fundación, afectarán la magnitud del movimiento y las fuerzas que se oponen al movimiento en las placas de apoyo. [1]

El coeficiente de fricción de las placas de apoyo nunca es constante, depende de la temperatura, velocidad de deslizamiento y la posición de las placas de apoyo relativo a sus placas bases. Mientras menores sean los movimientos del tablero mayor será el efecto de la fricción de las placas de apoyo. [11] Esto se basa en el siguiente argumento: Si el peso del puente, Mg, y el coeficiente de fricción de las placas μ, son conocidos, es posible calcular la fuerza, F, requerida para sobrepasar la fuerza de fricción de las placas de apoyo (F = μMg), esta fuerza puede ser convertida en su equivalente en el cambio de largo por la formula:

EAlFl ⋅

=δ (4)

Donde;

lδ = Cambio en el largo, (mm); F = Es la fuerza requerida para sobrepasar la fricción (N); l = Es el largo de expansión de el puente, (mm); E = Es el modulo de Young`s, (kN/mm²); A = Es el área de la sección transversal de la cubierta. Con este cálculo se puede apreciar cambios en el largo causados por la fricción de las placas hasta 9 mm, en puentes donde se midió este efecto. [11] En la figura 4 se puede apreciar los efectos causados por la interacción entre la temperatura y la fricción de las placas de apoyo. Empezando en el punto A; la posición mínima de la temperatura y movimiento efectivo del puente en un año; la temperatura del puente aumenta con un movimiento casi nulo hasta que en el punto B, la fuerza (F) en el tablero, sobrepasa la fuerza de fricción. Luego el movimiento toma lugar a lo largo de la línea BC hasta que el puente alcanza la máxima temperatura y movimiento efectivo del día en el punto C. El efecto se repite, hasta el punto D, mientras la temperatura disminuye. Como este ejemplo se desarrolla en el período del año donde las temperaturas aumentan, el movimiento cesa en el punto E (a una mayor temperatura que A) que es el punto de menor temperatura efectiva del puente del día siguiente. Asumiendo que no hay otros factores involucrados, un ciclo similar, se puede apreciar que mientras la temperatura y movimiento efectivo del puente aumenta día tras día. Las pendientes de las líneas AC, EG, IK, etc. son los coeficientes de expansión térmica diarios, de las cuales se desprende una línea que pasa por el medio de éstas, XY, que cuya pendiente es el coeficiente expansión térmica efectivo. El proceso se revierte en el periodo del año donde las temperaturas decaen.

Fig. 4: Diagrama que representa el efecto la fricción de las placas de apoyo. [11]

2.5.2 Cargas vivas, movimiento inducido por el tráfico: Estos movimientos son principalmente producidos por rotaciones en los extremos de los vanos e influenciados por: [10]

- Rigidez del tablero - Carga de tráfico - Profundidad de la placa de apoyo bajo la superficie - Posición del eje de rotación de la cubierta - Tipo y comportamiento de las placas de apoyo - Diseño y materiales de la junta. - Restricciones estructurales

Mediciones demuestran que la apertura horizontal de la junta es proporcional al eje de carga y está relacionado a la posición del vehiculo en el vano. En adición el tipo de estructura influencia la magnitud de los movimientos y rotaciones y los cambios entre estos dos parámetros son aproximadamente proporcionales. [10]

Las estructuras compuestas tienden a tener mayores amplitudes de movimiento en la junta, debido a la menor rigidez de la cubierta y mayor profundidad desde la superficie a las placas de apoyo. [10] En estructuras de vanos múltiples, ambos lados de la junta pueden rotar, por lo que una carga de tráfico simultánea sobre vanos contiguos puede aumentar el movimiento en la junta. Un mayor incremento puede ocurrir donde coincidan cargas en pistas adyacentes, esto queda en evidencia cuando vehículos comerciales con cargas anormales pasan sobre la junta. [10] Un ejemplo de las variaciones en los movimientos y rotaciones, para distintas cargas sobre un puente con un tablero compuesto con vigas cajón de acero, se muestra en la tabla 3,

Tabla 3: Comparación de movimientos y rotaciones en la junta para distintas cargas.

Vehículo Carga (ton) Abertura horizontal en la junta (mm)

Rotación en la junta(radianes 610−× )

Auto >1 >0.01 10 Vehículo Pesado 20 0.08 90 Carga Anormal 148 0.48 700

Esto es razonable, ya que la superestructura tiene un comportamiento lineal-elástico y por lo tanto, a mayor carga experimentará una mayor deformación.

2.5.3 Esviaje Para ajustar el movimiento esperado en el tablero del puente cuando éste se encuentra esviado es común en la práctica, incrementar el movimiento calculado para un largo no esviado. El sistema de expansión es sobredimensionado por la deformación por torsión. Por ejemplo, un puente con un esviaje de 45º, tendrá un mayor movimiento esperado total que uno con un vano igual, pero con un esviaje de 15º o menor. Una aproximación del movimiento total estimado, ΔL, es calcular el movimiento para un puente sin esviaje de igual vano, L, y dividiendo por el coseno del ángulo de esviaje, α. [3]

Deformación con esviaje = )cos(α

LΔ (5)

Fig. 5: Esquema de puente con esviaje, medición del ángulo y el largo involucrado.

3 TIPOS DE JUNTAS DE EXPANSION Y SUS CARACTERÍSTICAS

En este capitulo se indicarán los diferentes sistemas de juntas que existen en la actualidad, describiendo sus características principales y métodos de instalación. Existe consenso entre especialistas e ingenieros de puentes, según se observa en las publicaciones de la NCHRP y el A.C.I., que las juntas de expansión se pueden dividir en las siguientes categorías:

Tabla 4: Sistemas de Juntas TIPOS DE SISTEMAS DE JUNTAS

Cerradas Abiertas

Moldeados en Situ Preformados Armada o Guarda Canto Asfalto con Agregado Polimérico Sello en Franja o Membrana

Placa Deslizante Termo Endurecidos, Curado Químico Sello en Compresión Placa Dentadas Sello de Neopreno Inflable

Sello Elastomérico Reforzado Sistemas Modulares o de Riel

3.1 Juntas Abiertas:

Los tipos más comunes de juntas abiertas son: la guarda cantos, la placa deslizante y junta dentada; estos fueron los primeros tipos de juntas utilizados en los puentes modernos, pero en los últimos años han perdido preferencia, debido a que estos sistemas permiten el ingreso de agua y escombros, especialmente en zonas lluviosas. Para evitar que esto suceda, se han instalado sistemas de drenaje bajo la junta, y así, lograr proteger la subestructura. Este sistema consta de una membrana no corrosiva, que se instala bajo la junta y se sujeta al hormigón del tablero, como se muestra en la figura 6.

3.1.1 Junta Armada o con guarda canto:

La junta con guarda cantos, como la mayoría de las juntas abiertas, no impiden el paso del agua ni de los escombros. Esta junta no entrega una superficie de transición entre los bordes adyacentes de la losa, por lo que deben ser usadas en puentes de vanos cortos que permiten movimientos debidos a la temperatura menores que 25 mm. Un perfil angular de acero es comúnmente usado en el borde superior, sin embargo muchas juntas son construidas sin el. El perfil es anclado al hormigón por medio de pernos, barras. Un detalle típico es mostrado en la figura 7.

3.1.2 Junta con placa deslizante:

Es similar a la junta armada, pero con la diferencia que una placa metálica es anclada a lo largo de uno de sus bordes, el lado no anclado descansa en una placa metálica de asiento en el otro borde. Las juntas con placas deslizantes son utilizadas para movimientos de 25 a 75 mm, hoy en día es considerada como una junta abierta. No es impermeable, pero si previene que los escombros traspasen por la abertura. Este sistema es anclado al hormigón por medio de pernos soldados de acero y barras. Detalle en la figura 7.

3.1.3 Junta dentada:

Puede acomodar movimientos de hasta 100 mm, se encuentra provista por dos placas dentadas una a cada lado de la abertura, éstas se entrelazan para permitir el movimiento cubriendo el espacio requerido entre ellas. Al igual que otros sistemas de juntas abiertas, a éste también se puede instalar una membrana de drenaje para colectar basura y agentes contaminantes. Una descripción de la junta se puede apreciar en la figura 8. Hay variadas opiniones con respecto a este tipo de sistemas, como con todas las otras juntas abiertas, los costos iniciales son en general, menores que los costos para las juntas cerradas. En muchos lugares se ha optado por juntas dentadas en puentes con vanos mas largos. [7]

Fig. 6: Junta Abierta, cubre junta con membrana de drenaje y sistema de anclaje. [17]

Fig. 7: Junta con placa deslizante y membrana de drenaje. [17]

Fig. 8: Junta de placa dentada con una membrana de drenaje. [17]

3.2 Juntas Cerradas:

En juntas abiertas el agua, escombros, productos químicos y abrasivos, se introducen desde el recubrimiento del tablero a la apertura de la junta, estos agentes contaminantes, aceleran el proceso de corrosión, tanto del acero estructural, como del acero de refuerzo en el hormigón, ocasionando el degradación y pérdida de resistencia de los elementos del puente bajo la junta. En regiones donde las condiciones climáticas en la temporada invernal son muy severas, se utiliza sal para descongelar las autopistas, esto aumenta aun más el problema. En figuras 9 y 10, se aprecian los daños causados. Los sistemas de juntas selladas se comenzaron a aplicar en los años 1930, y con el paso del tiempo comenzaron a evolucionar, esto gracias a mejoras en el diseño, métodos de instalación más refinados y al desarrollo tecnológico de distintos materiales, como barras de anclaje más resistentes y mejores productos para sellar. En las últimas décadas, las juntas han evolucionado con el objetivo de aumentar la vida útil de los puentes, creando sistemas que hacen continua la superficie de rodado, logrando impermeabilizar el tablero, impidiendo que se dañen elementos estructurales fundamentales de la subestructura. Los fabricantes buscaron sistemas económicamente viables, de bajo costo de mantenimiento, que impidieran el paso del agua y que fuera durable, tan durable como el tablero del puente.

Fig. 9: Daños provocados por juntas deficientes, Corrosión en viga de diafragma de acero.

[7]

Fig. 10: Daños provocados por juntas deficientes, escombros en el caballete del puente. [7]

3.2.1 Sellos Moldeados in Situ:

3.2.1.1 Sellos Termoestables, Curado Químico:

Este fue uno de los primeros intentos en realizar una junta impermeable, habitualmente es utilizado en vanos de poca longitud, donde el desplazamiento es de 5 mm o menor. Sin embargo, materiales con curado químico han sido usados en juntas de hasta 100 mm de ancho con movimientos del orden de 50 mm, a pesar de esto, es más usual confinarlas en la mitad de ese tamaño para asegurar el buen desempeño y economía en materiales. El material vertido en la apertura debe ser rígido, adherente e impermeable y tiene que ser colocado en la parte superior de la junta, cumpliendo la función de un sellador. La silicona es el sellador elastomérico más utilizado en la actualidad, es un polímero de dos componentes, autonivelante y de secado rápido. [7] Para la instalación de este tipo de sello se utiliza un material preformado de respaldo, generalmente de espuma de polietileno que es introducido a presión para evitar dejar espacios por donde el sello pueda escapar a través de la junta Este material de respaldo es colocado para materializar la forma y profundidad deseada para el sello. Es importante que los bordes de la junta estén limpios y sanos para que el sellador elastomérico se adhiera apropiadamente. También

se puede instalar con un sello de transición o guardacantos de mortero epóxico en la proporción 1:3 para proteger los bordes de la junta contra los impactos del tráfico, en la figura 11 se aprecia un esquema de este sistema. El espesor del sello elastomérico en el centro no debería ser mayor que la mitad del ancho de la junta. Asimismo es importante que el fondo del sello no se adhiera al material de soporte. Se desempeña mejor cuando el sello es vertido con una temperatura ambiental por encima de los 4 ºC. Las aplicaciones son usualmente realizadas por una boquilla que expulsa el sello bajo presión, esta puede ser formada y dimensionada para moldear el sello en la junta. El sello es suministrado en cartuchos y aplicado por una pistola de calafateo. En el caso de sellos de dos componentes, una mezcla completa y uniforme es esencial para lograr un curado apropiado. La aplicación del sello en la junta requiere un operador capacitado. La pistola de calafateo debe ser controlada en un ángulo (alrededor de 45º) y desplazada derechamente a través de la junta.

Fig. 11: Juntas con sellos moldeados en situ. [17]

3.2.1.2 Sello Asfáltico Modificado con Polímeros Aplicados en Caliente:

Este sello es utilizado en juntas para movimientos menores a 50 mm, y puede ser usado en tableros de hormigón, y en especial si el recubrimiento es de mezcla asfáltica. Las marcas de mayor prestigio son la "JME-60" de Composan Construcción, Española, la "Expandex" de Watson Bowman ACME (Telcons Ingenieros S.A) y la "Proflex Spandec" de E.C.S.I del Reino Unido. La temperatura ambiente adecuada para la instalación esta entre los 5 ºC y 35 ºC. Para ejecutar este sello se debe primero tapar la abertura de la junta y colocar la carpeta asfáltica de recubrimiento a lo largo de toda la cubierta del puente, hasta la superficie de rodado. Luego se debe retirar una sección de dimensiones entre 500 mm y 750 mm de ancho y entre 75 mm y 100 mm de profundidad justo en el centro de la junta (Blockout). Un perfil de soporte de tipo celular o compresible es introducido a presión en la apertura de la junta. El material de asfalto polimérico es calentado a 190 ºC y vertido sobre el perfil de soporte hasta llenar completamente la abertura de la junta. Una placa de 230 mm de ancho, 1.2 m de largo y 6 mm de espesor con agujeros de fijación cada 300 mm centrados en la placa es colocada centrada en la junta cubriendo todo su ancho y longitud, y luego es fijada con los clavos de fijación. El bloque removido es rellenado con asfalto polimérico que formara la capa base sobre la junta, estos son calentados a la misma temperatura, después que este material es colocado, se consolida por medio de un compactador de plato vibrante. Finalmente el material de recubrimiento es vertido sobre la parte superior de la mezcla compactada hasta que todos los huecos sean llenados, luego se le aplica un agregado fino para recubrir y así lograr una mejor tracción, un detalle típico se puede apreciar en la figura 12.

Fig. 12: Sello Asfáltico Modificado con Polímeros. [17]

3.2.2 Sellos Preformados:

3.2.2.1 Sello en Compresión:

Los sellos de compresión están compuestos por una sección continua de neopreno elastomérico preformado de forma rectangular, que es comprimida en la abertura de la junta y colocado en todo el ancho del tablero haciendo que la junta sea estanca al agua. Existen sellos en compresión de sección transversal cerrada o abierta. Este tipo de sistemas tiene un rango de movimiento de 5 a 60 mm. Los sellos de compresión de sección transversal abierta están estructurados en forma de reticular para permitir que el sello esté comprimido permanentemente, mientras que provee estabilidad y presión a las paredes de la junta durante el movimiento. Los cantos de junta pueden ser fortalecidas con armadura o con un material de concreto polimérico. Un detalle típico se ve en la figura 14. También, existe la alternativa con una sección cerrada, con un rango de movimiento similar a la sección abierta. El material ocupado es de tipo celular parecido a una espuma, es un sello polimérico de baja densidad. Para su correcto funcionamiento es necesario utilizar un adhesivo para sujetar el sello a las paredes de la junta. Para su instalación la sección es comprimida e insertada en la junta usando un adhesivo que sirve también como lubricante para facilitar su colocación para fijar el material en su lugar. Estos sellos se diseñan para asegurar que siempre esté bajo compresión, para impedir desplazamientos en la junta y lograr la impermeabilización deseada. Los empalmes deberían ser evitados, comúnmente se colocan barras de soporte en el fondo para que el sello no se desplace a través de la junta. El sello tiene que ser dimensionado apropiadamente para la abertura actual de la junta. La abertura debe estar construida apropiadamente con un ancho y lados verticales uniformes y ningún borde defectuoso. También, debe ser colocado a una distancia correcta desde el tope del tablero. Para facilitar la instalación de los sellos en compresión deben ser instalados a temperaturas bajas, ya que las juntas se encuentran con una mayor apertura. Una descripción del sistema de sellado y su instalación se pueden ver en las figuras 13 y 15.

Fig. 13: Junta con sello de compresión cerrada, con armadura y barras de soporte. [17]

Fig. 14: Junta con sello de compresión abierta, con armadura y barras de soporte. [17]

Fig. 15: Instalación de Sello de Compresión cerrado. [7]

3.2.2.2 Sello en Franja o Membrana:

Una junta de sello en franja consiste en una membrana de neopreno rígido anclado a un perfil metálico en ambos lados de la junta. El material es premoldeado en forma de “V”, con lo que esta se puede alargar y cerrar según los desplazamientos de la junta. Este tipo de junta tiene un rango de movimiento hasta de 100 mm. Un detalle típico se muestra en la figura 16.

Fig. 16: Junta con Sello en Franja. [17]

3.2.2.3 Sello de neopreno inflable (Jeene):

Es un perfil elastomérico especialmente diseñado para el sello de juntas de dilatación y contracción, capaz de soportar ciclos térmicos y cargas dinámicas, este sistema, a demás esta constituido por un adhesivo epóxico de dos componentes que se aplica en ambos lados de la junta y un sistema de presurización del perfil durante el periodo de curado. Este período dura aproximadamente 24 hrs y pasado este tiempo se puede permitir la salida del aire. Existen perfiles premoldeados que acomodan movimientos desde 4 a 100 mm. Con esto se puede lograr un sistema hermético e impermeable, para su óptimo desempeño los bordes de la junta deben estar limpios, secos y sin imperfecciones, es conveniente instalar la junta con una temperatura ambiente de 20º C. Una descripción se muestra en la figura 17. Para juntas donde existe un tráfico intenso y de gran carga, se puede colocar una franja de un hormigón polimérico y así evitar daños en los bordes del tablero.

Fig. 17: Junta con Sello preformado de Neopreno. [17]

3.2.2.4 Sello Elastomérico Reforzado:

Está constituido por una banda de material elastomérico, formulado adecuadamente para dar elasticidad y durabilidad. Dentro de esté se encuentran unos refuerzos de acero, que le confieren la rigidez y la resistencia necesaria para transmitir las cargas de tráfico. Es colocado sobre la apertura de la junta y anclado rígidamente en ambos lados. Este anclaje se logra por medio de pernos que están insertados en el hormigón del tablero. Si este sello es colocado apropiadamente el neopreno se estira y se encoje tanto como lo hace la abertura de junta. Existen varios modelos de este tipo de sello, ellos pueden abarcar un rango de movimiento de 60 mm, 100 mm y hasta 160 mm. La figura 18 muestra el detalle.

Fig. 18: Sello elastomérico reforzado. [17]

3.2.2.5 Sistemas Modulares o de Rieles:

Este tipo de sistema acomoda movimientos mayores a 100 mm. Los componentes de la junta son dimensionados de acuerdo a magnitud de los movimientos que establece el ancho de la abertura. Estas juntas modulares han sido diseñadas para uso en puentes con vanos de gran longitud, con una capacidad de movimiento de hasta 2000 mm. El movimiento normal es entre 150 mm y 600 mm. Este sistema consta de tres componentes principales: selladores, barras de soporte, vigas centrales y de borde. Un detalle típico se puede ver en la figura 19. Los selladores y las vigas separadoras forman una superficie de apoyo y logran dar impermeabilidad a la junta. Las vigas de separación son normalmente plegadas o formadas en frío y permiten la unión de los sellos en serie. Las vigas se encuentran sostenidas por barras de soporte en intervalos consecutivos y estos se fijan a la caja de soporte por medio de los apoyos elastoméricos y los resortes de control, los cuales permiten el giro de las barras.

Fig. 19: Junta Modular. [17]

3.2.2.6 Instalación de dispositivos preensamblados:

La colocación sellos de gran dimensión para acomodar grandes movimientos en juntas de puentes, presenta problemas especiales. Primero, estos sellos no son fáciles para manejar y no pueden ser doblados o moldeados para adaptarse a un abrupto cambio de dirección. Segundo, requieren una fuerza considerable para comprimirlos mientras son empujados y palanqueados dentro de la apertura, especialmente si es un día caluroso y la junta esta cerrada parcialmente más allá de su rango medio. Por estas razones, y por que el sello debe ser dimensionado dentro de la apertura de la junta, el sistema debe contar con elementos que lo mantengan precomprimido o

preajustado para el ancho requerido, previo al hormigonado. Después de que el hormigón haya fraguado, la junta es activada, soltando las fijaciones del sistema de instalación. Sellos en franja y sistemas modulares, diseñados para acomodar grandes movimientos, son provistos precomprimidos o preajustados listos para la instalación y para su subsiguiente activación. Dispositivos de tensión-compresión como los sellos elastoméricos reforzados, requieren ser colocados al ras con la superficie del pavimento. Se deben tomar provisiones para los pernos del sistema de anclaje, ya sea insertando un molde que ajuste el ancho del dispositivo cuando el hormigón es colocado, o perforando e instalando los anclajes después de la colocación del hormigón. En casos donde las unidades de anclaje son preconectados a los elementos de borde (sellos en franja y sistemas armados), la posición y nivel de la junta de expansión es fijada y luego el hormigón es colocado.

4 NORMAS QUE REGULAN EL DISEÑO DE LAS JUNTAS

En este capítulo se indicarán las principales especificaciones que definen las bases para el diseño y aplicación de los sistemas de sellos en juntas para puentes, dichas especificaciones se encuentran contenidas en las principales normas internacionales, como lo son la AASHTO y la ACI. A pesar de que algunas de las indicaciones y conceptos que se presentan a continuación ya han sido mencionados anteriormente, es de gran importancia para esta investigación, destacar las especificaciones más relevantes de la normativa actual, ya que permiten dar un marco regulatorio para la implementación y desarrollo de las diferentes alternativas de juntas en nuestro país.

4.1 Norma AASHTO

En Chile la norma de diseño que se ocupa para el desarrollo de infraestructura vial es la desarrollada en los Estados Unidos, en particular la norma AASHTO LRFD Especificaciones de Diseño para Puentes. En particular se comentaran las recomendaciones de mayor relevancia para los distintos tipos de sistemas de sello para juntas de expansión que se han caracterizados en este trabajo.

4.1.1 Cargas y movimientos:

Las juntas del tablero deben ser diseñadas para resistir las cargas y acomodar movimientos de servicio y satisfacer los requerimientos de los estados límites de esfuerzo. Ningún daño originado por el movimiento de las juntas o apoyos, puede ser permitido en el estado límite de servicio y ningún daño irreparable deberá ocurrir en los esfuerzos límites o eventos extremos. Se tienen que considerar rotaciones y traslaciones en los dos ejes horizontales y uno vertical, los movimientos deberán incluir aquellos causados por cargas de tráfico, deformaciones y desplazamientos causados por efectos instantáneos y de largo plazo, tales como efectos de Creep, retracción y temperatura. Las juntas deberán permitir todos los movimientos antes mencionados. Los efectos de curvatura, esviaje, rotaciones y restricciones en los apoyos deben ser considerados en el análisis para el cálculo de movimientos en las juntas.

4.1.2 Requerimientos para Juntas: Las juntas de tableros deberán tener componentes adecuados para acomodar los movimientos anteriormente nombrados. El tipo de junta deberá permitir el transito de motociclistas, bicicletas y peatones sin dañar significativamente la superficie de rodado ni menos causar daño a los vehículos que transitan por el puente. La junta debe ser diseñada para prevenir daños a la estructura del agua, ataques químicos y escombros del camino.

4.1.2.1 Diseño estructural:

Para determinar el efecto de las fuerzas y movimientos se tiene que considerar los siguientes factores: 1. Propiedades de los materiales en la estructura, incluyendo: Coeficiente de Expansión

Térmico, Modulo de Elasticidad y Módulo de Poisson. 2. Efectos de temperatura, Creep, y retracción. 3. Tamaño de los componentes estructurales. 4. Tolerancias en la construcción. 5. Método y secuencia de la construcción. 6. Esviaje y curvatura. 7. Resistencia de las juntas al movimiento. 8. Desarrollo del pavimento de acercamiento. 9. Movimientos de fundación asociados con la consolidación y estabilización de suelos. 10. Restricciones estructurales. 11. Repuestas estructurales estáticas y dinámicas, y su interacción. El largo de la superestructura que afectará el movimiento de una de sus juntas será considerado desde la junta hasta el punto neutral de la estructura. Para una superestructura curvada que no se encuentra lateralmente restringida por placas de apoyos, la dirección del movimiento longitudinal en una placa de apoyo o junta, puede ser asumida paralela a la cuerda de la línea central de la cubierta, tomada desde la junta hasta el centro de la estructura. Comentarios: Los movimientos de la superestructura incluyen cambios volumétricos, tales como retracción, temperatura, humedad y Creep, el paso de tráfico vehicular y pedestre, presión del viento y la acción de sismos. Los movimientos de la subestructura incluyen diferencias de asentamiento de las cepas y estribos; inclinación, flexión y traslación horizontal de estribos tipo muros, que responden a la colocación del relleno, como también el desplazamiento de estribos cerrados debido a la consolidación del terraplén.

Cualquier movimiento horizontal de la superestructura del puente será contrarrestado por la resistencia de las placas de apoyo del puente y la rigidez o resistencia a la flexión de los elementos de la subestructura. La rigidez de los estribos y la flexión relativa de las cepas de altura variable y los tipos de fundaciones, afectarán la magnitud del movimiento y las fuerzas que se oponen al movimiento en las placas de apoyo. Pavimentos rígidos de aproximación compuestos de piedra, ladrillo o concreto experimentaran una presión longitudinal considerable, debido a la expansión del tablero. Se asegurará la liberación efectiva de la presión del pavimento o se colocarán anclajes en el pavimento de aproximación para proteger las estructuras del puente de estas presiones potencialmente destructivas y así preservar el rango de movimiento de las juntas del tablero y el desempeño de los sellos. Cuando el movimiento horizontal en los extremos de la superestructura originado por cambios volumétricos, las fuerzas producidas dentro de la estructura que se resiste a estos cambios están balanceadas. El punto neutral puede ser localizado estimando estas fuerzas, tomando en cuenta la resistencia relativa al movimiento de las placas de apoyo y subestructura. El largo de la superestructura que contribuye al movimiento en una junta en particular, puede ser determinado de esta forma.

4.1.2.2 Geometría:

Para puentes rectangulares o con un ligero esviaje, es preferible cambios mínimos en la alineación vertical y horizontal de la junta, con tal de simplificar el movimiento y de esta manera incrementar el desempeño de la estructura.

4.1.2.3 Materiales:

Los materiales seleccionados tienen que asegurar que sean: elástica, térmica y químicamente compatibles. Cuando existan diferencias sustanciales los materiales en las interfaces deben ser formulados para proveer sistemas completamente funcionales. Materiales que no sean elastómeros deben tener una vida de servicio no menor a 75 años. Sellos para juntas y canales de drenaje elastoméricos deben proveer una vida de servicio no menor a 25 años. Juntas expuestas al tráfico deben tener un tratamiento en la superficie que impida el deslizamiento de las ruedas y todas sus partes deben ser resistentes al desgaste y al impacto vehicular. Excepto para pernos de alta resistencia, los sujetadores para juntas expuestos a desechos químicos deben ser de acero inoxidable.

Comentarios: Hay que dar preferir los materiales que se adecuen a las distintas variables de instalación y que sean más apropiados para ser mezclados en terreno. También, preferir aquellos materiales que puedan ser reparados y alterados, sin requerir un equipo de mantención especializado. Además, escoger componentes y elementos que estarán disponibles cuando se necesite su reemplazo.

4.1.2.4 Mantención:

Las juntas de tablero deben ser diseñadas para operar con una mínima mantención durante la vida útil del puente. Componentes mecánicos y elastoméricos de la junta deben ser reemplazables. Comentarios: La posición de placas de apoyo, componentes estructurales, juntas, espaldares de estribos y la configuración de la parte superior de cepas, deben ser escogidos para proveer suficiente espacio y un acceso conveniente a las juntas debajo del tablero.

4.1.3 Selección:

4.1.3.1 Numero de juntas:

El número de juntas de tablero móviles en la estructura deben ser mínimas. Es necesario dar preferencia a los sistemas de cubierta continuos y cuando sea propicio, utilizar un diseño de puente integral. Las juntas pueden ser provistas en los estribos de estructuras de un solo vano expuesta a asentamientos diferenciales apreciables. Las juntas del tablero intermedias son consideradas para puentes con múltiples vanos, donde el asentamiento diferencial de las cepas resultará en grandes tensiones. Comentarios:

Los puentes integrales, es decir, puentes sin juntas de tablero, deben ser considerados donde el largo de la superestructura y flexibilidad de la subestructura son tal que, las tensiones secundarias debidas a los movimientos restringidos, son controladas dentro de los límites tolerables. Los tableros con un vano largo y vigas de acero continuas y ligeramente esviadas, pueden soportar diferencias de asentamiento sin generar tensiones secundarias significativas. Consecuentemente juntas de tablero intermedias son ocasionalmente necesarias para puentes de

vanos múltiples soportados por fundaciones seguras, es decir, pilotes, lechos de rocas y suelos densos.

4.1.3.2 Ubicación de las juntas.

Las juntas de tablero tienen que ser evitadas sobre las carreteras, líneas férreas, pasarelas, otras áreas públicas y en puntos bajos de curvas verticales cóncavas. Deben ser posicionadas con respecto a los espaldares y muros alas de los estribos para prevenir la descarga del drenaje del tablero que se acumula en el intermedio de la junta por encima de las bases del puente. Las juntas abiertas se localizarán solo donde el drenaje pueda ser dirigido, pasando a través de las placas de apoyo y descargado directamente bajo la junta. Colocar juntas cerradas o impermeables cuando éstas se encuentren directamente sobre elementos estructurales y placas de apoyo que pueden verse afectados por la acumulación de escombros. Para puentes rectos los elementos longitudinales de las juntas como placas dentadas, cunetas, barreras de placas y vigas de soporte para los sellos de juntas modulares deben ser colocados paralelos al eje longitudinal del tablero.

4.1.4 Requerimientos del diseño:

4.1.4.1 Movimientos durante la construcción:

El método de construcción conviene que sea planificado, de tal manera de retrasar la construcción de los estribos y cepas que se encuentren localizadas en terraplenes o adyacentes a ellos, hasta que estos hayan sido emplazados y consolidados. De lo contrario, las juntas deben dimensionarse para acomodar los posibles movimientos de estribos y cepas debidos a la consolidación del terraplén después de su construcción. Comentarios: Donde es también deseable o necesario acomodar asentamientos u otros movimientos de construcción antes de la instalación y ajustes de las juntas de cubiertas, los siguientes controles de construcción pueden ser usados:

• Colocar el terraplén del estribo antes de la excavación y construcción de la cepa y estribo. • Sobrecargar los terraplenes para acelerar la consolidación y ajustes de los subsuelos.

• Utilizar Blockout de tablero para permitir que las cargas muertas en el vano se encuentren en un porcentaje mayor, antes de la instalación de la junta.

4.1.4.2 Movimientos en servicio

Una abertura en la superficie de la vía, W, en mm, en una junta de tablero transversal, medida normal a la junta, en el movimiento extremo, que se determina usando la combinación de cargas de fuerzas especificada en tabla 3.4.1-1 de la norma AASHTO, debe satisfacer: Para una sola abertura:

( )θ2213864 senW ⋅−⋅+≤ Para múltiples aberturas modulares:

( )θ2212550 senW ⋅−⋅+≤ Donde: θ = es el ángulo de esviaje en la junta (DEG) Para superestructuras de metal y madera no pretensada el ancho de la abertura de un junta de tablero no debe ser menor que 25 mm en el movimiento extremo. Para superestructuras de hormigón, se considera que la apertura de las juntas debido al Creep y la retracción, puedan requerir inicialmente una apertura inicial mínima que no exceda los 25 mm. En el movimiento extremo, la apertura entre dientes adyacentes en una placa dentada no debe exceder:

- 50 mm para aberturas longitudinales mayores que 200 mm. o

- 75 mm para aberturas longitudinales o menores que 200 mm.

4.1.4.3 Protección Las juntas de tableros se diseñarán para soportar los efectos del tráfico vehicular, equipos de mantención de pavimento y otros daños inducidos a largo plazo. Juntas en tableros de hormigón se armarán con perfiles de acero soldados o laminados. Tal armadura debe estar colocada bajo la superficie de rodado y protegida de las palas de las barredoras de nieve. La protección contra las palas quita nieve de la armadura de las juntas de tablero y sellos de juntas puede consistir en franjas de concreto de amortiguación de 300 a 400 mm. de ancho, con una armadura de 6.5 a 9.5 mm bajo la superficie de tales franjas.

Precauciones adicionales para prevenir el daño de las palas de las barredoras de nieve, cuando el esviaje de las juntas coincida con el esviaje de las hojas de la pala, en un ángulo típico de 30º a 35º.

4.1.4.4 Placas deslizantes

Las placas deslizantes y dentadas tienen que ser diseñadas como miembros en cantilever capaces de soportar cargas de peso. La diferencia de asentamiento entre los dos lados de la junta de placa deslizante debe ser estudiada. Si la diferencia de asentamiento no puede ser reducida a niveles aceptables o ser acomodada en el diseño de la placa y sus soportes, se utilizará un sistema de junta más propicio. Comentarios Como en este sistema una de las placas se encuentra apoyada sobre la otra, puede ocurrir que debido al desplazamiento vertical del tablero o a movimientos longitudinales en distintos planos, estas pueden quedar sujetas a las reacciones de las cargas muertas y vivas de la superestructura. Las placas que no son capaces de resistir tales cargas pueden fallar y convertirse en un peligro para el tráfico vehicular.

4.1.4.5 Junta Armadas

El perfil metálico incrustado en el borde del hormigón de la junta, debe estar perforado con una separación máxima de 460 mm. y con un diámetro mínimo de 20 mm. A las superficies de metal con un ancho mayor que 300 mm y que se encuentren expuestas al tráfico vehicular, se someterán a un tratamiento antideslizante. En los perfiles de acero son necesarios huecos de ventilación para ayudar la salida del aire atrapado y de esta forma lograr un substrato del hormigón sólido bajo el borde de la junta.

4.1.4.6 Anclajes: La armadura del anclaje o los conectores de corte deben estar dispuestos de tal manera de asegurar que el comportamiento entre el hormigón y los componentes de la junta sea el adecuado, y prevenir la corrosión bajo la superficie de la junta, sellando los espacios entre el hormigón y la armadura. Anclajes para juntas armadas deben ser directamente conectados a soportes estructurales o extenderse hasta enganchar los refuerzos de acero del hormigón.

4.1.4.7 Pernos:

Los pernos de anclaje para placas deslizante, sellos de juntas y juntas armadas serán pernos de alta resistencia completamente apretados. La conexión de elementos no metálicos con pernos de alta resistencia debe ser evitada. Está prohibido el uso de anclajes de expansión y pernos de anclaje avellanados.

4.1.5 Instalación:

4.1.6 Ajustes:

La temperatura de colocación del puente o cualquier componente debe ser tomada como la temperatura promedio actual del aire sobre un período de 24 hrs. antes del procedimiento de instalación. Para superestructuras de gran longitud se incluirá un margen en la especificación de los anchos de junta, debido a las inexactitudes inherentes en el establecimiento de la temperatura de instalación y los movimientos de la subestructura que pueden tomar lugar durante el tiempo entre el establecimiento del ancho de la junta y la completa instalación de ésta. En el diseño de juntas para estructuras largas, se le debe dar preferencia a dispositivos, detalles y procedimientos que permitirán ajustar y completar en menor tiempo posible la junta. Las conexiones de los soportes de las juntas a los miembros primarios debe permitir ajustes horizontales, verticales y rotacionales. Utilizar un blockout, que consiste en remover una sección rectangular a lo ancho de la junta para lograr la correcta colocación del sistema de sello y para rellenar con materiales de mejor calidad y resistencia. Comentarios: Excepto para puentes cortos donde las variaciones de la temperatura de instalación tendrá efectos despreciables en el ancho de las juntas, se deberán incluir planos para cada junta de expansión donde se especifiquen los anchos de la instalación para un probable rango de temperatura. Para estructuras de hormigón se considerará el uso de termómetros y mediciones de la temperatura en las juntas de expansión en medio de los tableros de la superestructura. Se recomienda un cuadro de desbalance para la instalación de juntas de expansión, para tomar en cuenta la incertidumbre de la temperatura de instalación al momento del diseño. El diseñador puede proveer un cuadro de desbalance en los planos de diseño. La colocación de la junta de expansión durante el moldeado del tablero, deberá acomodar las diferencias entre la temperatura de instalación y la temperatura de diseño asumida. El método constructivo deberá permitir la mayor cantidad de movimientos por la carga muerta de la estructura antes de la colocación y ajuste de las juntas.

4.1.6.1 Empalmes en terreno El diseño de juntas deberá incluir el detalle para los empalmes en terreno en la etapa de construcción y para juntas mayores que 18 m. Cuando sea posible, los empalmes se realizaran alejados del paso de las ruedas y la cuneta. Los empalmes en terreno planificados para la etapa de construcción deberán estar localizados con respecto a juntas de construcción y así proveer el espacio suficiente para la conexión del empalme. Cuando sea posible, deberán ser usados solo aquellos sellos que puedan ser instalados en una sola pieza. Cuando el empalme sea inevitable, éste deberá ser vulcanizado

4.1.7 Consideración para tipos de juntas especificas:

4.1.7.1 Juntas Abiertas: (Esquema 3.1.1 fig. 6)

Las juntas abiertas permiten el flujo de agua a través de la junta. Estas no deben ser usadas donde puedan transitar vehículos con desechos químicos y estos puedan ser vertidos al tablero del puente. Bajo ciertas condiciones, las juntas abiertas pueden proveer una solución efectiva y económica. En general, juntas abiertas son bien aplicadas para autopistas secundarias donde existen pocos elementos abrasivos como arena y sal. No son apropiados para áreas urbanas donde el costo indirecto para la mantención de juntas dañadas es alto. El desempeño satisfactorio depende de un sistema de drenaje efectivo del tablero, el control de la descarga del tablero a través de las juntas y la contención y eliminación de desechos. Es esencial que el drenaje de la superficie y los escombros de la pista no se acumulen en ninguna parte de la estructura bajo la junta. La protección contra los efectos nocivos del drenaje del tablero, puede incluir el moldear superficies estructurales para prevenir la retención de desechos de la carretera y proveer superficies con deflectores, corazas, cobertores y recubrimientos.

4.1.7.2 Juntas Cerradas: Las juntas cerradas deberán sellar la superficie del tablero, incluyendo cunetas, pasarelas y barreras de contención. El sellado de las juntas deberá prevenir la acumulación de agua y desperdicios. El drenaje acumulado en los recesos de la junta y en las depresiones del sello no puede ser descargado a las cepas del puente o en otras porciones horizontales de la estructura. Cuando el movimiento es acomodado por medio del cambio de geometría de membranas elastoméricas, éstas no entrarán en contacto con las ruedas de los vehículos. Aún no han sido desarrollados sellos de juntas completamente efectivos para algunas situaciones, particularmente donde hay juntas con un gran esviaje con cunetas o barreras levantadas y especialmente cuando las juntas están sujetas a movimientos sustanciales. Sellos en franja que están deprimidos bajo la superficie del camino y que tienen forma de canal, eventualmente se llenarán con escombros y debido a esto cuando la junta se cierre, se romperá.

4.1.7.3 Impermeabilización de juntas

Sistemas de juntas impermeables, incluyendo canales, colectores y botaderos, deben ser diseñados para colectar, conducir y descargar el drenaje del tablero fuera de la estructura. En el diseño de canales de drenaje, estas consideraciones deben ser tomadas:

- Pendientes de los canales no menores que 1/12, - Aberturas de descargas grandes para los canales, - Canales prefabricados, - Canales compuestos de elastómero reforzado, acero inoxidable, u otro metal con un

recubrimiento durable, - Sujetadores de acero inoxidable, - Canales que sean reemplazables debajo de la junta, - Canales que puedan ser limpiados desde la superficie del camino, - Juntas metálicas soldadas y empalmes elastoméricos vulcanizados.

4.1.7.4 Sellos moldeados in situ (Esquema 3.2.1.1 fig. 11)

Los sellos vertidos deben ser usados solo en juntas expuestas a movimientos pequeños y para aplicaciones donde la impermeabilidad es de segunda importancia.

4.1.7.5 Sellos en compresión (Esquema 3.2.2.1 fig. 14)

El ancho nominal de los sellos en compresión no deben ser menores que 64 mm ni mayores que 150 mm y serán especificados en anchos con incrementos en múltiplos de 12 mm. En carreteras principales los sellos serán entregados sin empalmes o cortes. En los extremos los sellos deberán ser protegidos por cobertores sujetos firmemente. Sellos secundarios en cunetas y barreras pueden ser cortados y doblados como sea necesario para ayudar en el encorvamiento e inserción en la junta. Sellos de sección transversal cerrada no tienen que ser usados en juntas donde estén sometidos a una compresión importante, a menos que el sello y el adhesivo adecuado hayan sido documentados por ensayos a largo plazo para aplicaciones similares. Sellos en compresión se usarán sólo en estructuras donde el rango de movimiento pueda ser calculado en forma precisa.

4.1.7.6 Sellos en franja (Esquema 3.2.2.2 fig. 16)

En la selección y aplicación de sellos en franja se deben tomar las siguientes consideraciones:

- Diseñar con sistemas de anclajes que no estén expuestos a las cargas de tráfico, - Diseñar juntas que permitan el cierre completo, sin efectos perjudiciales al sello, - Diseñar juntas donde los sellos elastoméricos se extiendan directamente a los bordes del

tablero en vez de doblar en cunetas o barreras, - Sellos que sean formados para expulsar escombros, y - Sellos sin cambios abruptos en la alineación horizontal y vertical.

4.1.7.7 Sello elastomérico reforzado: (Esquema 3.2.2.4 fig. 18)

La aplicación de sellos elastoméricos reforzados estará limitada a estructuras en caminos secundarios con tráfico de camiones liviano y en puentes con un esviaje ligero. Estos no deben ser usados cuando no existan cálculos certeros de los rangos de movimiento de la junta.

Para la utilización de éste tipo de sellos se tomarán las siguientes consideraciones: - Los sellos tienen que ser suministrados en una sola pieza continua para todo el largo de la junta. - Los sellos con empalmes deben ser vulcanizados, y - Utilizar anclajes capaces de soportar las fuerzas necesarias para comprimir y alargar el sello.

4.1.7.8 Sellos modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19) Para la utilización de sellos modulares se tomarán las siguientes consideraciones:

- Sellos que han sido verificados en ensayos de larga duración. - Sellos diseñados para facilitar la reparación y reemplazo de sus componentes. - Sellos en zonas urbanas que tengan componentes diseñados para minimizar el ruido. - Sellos que son totalmente ensamblados por el fabricante. La geometría de la junta se debe mantener lo más simple posible. Se deben considerar blockout para permitir la instalación del sello.

4.2 Norma A.C.I.

4.2.1 Juntas en Construcciones de Hormigón:

La norma A.C.I. “Juntas en Construcciones de Hormigón, ACI 224.3R-93” hace mención a las principales características que deben cumplir las juntas y las condiciones en que deben operar en puentes, consideraciones que ya han sido mencionados en este trabajo. Las indicaciones relevantes para la práctica y el uso de estos sistemas son las siguientes:

• Para juntas que no son selladas por ningún tipo de sistema, por razones de seguridad la

rueda del vehículo no debe caer en la junta, en especial cuando se encuentra con un esviaje, dando como limite 100 mm. Para movimientos esperados mayores a éste, se debe estudiar la colocación de un elemento de sello en la junta.

• La capacidad de expansión del dispositivo debe ser siempre mayor que la calculada para

desplazamientos térmico. • El resultado del acortamiento de post-tensado debe ser considerado cuando se determine el

tamaño de la junta. • Una armadura de acero debe ser colocada para proteger los bordes de concreto y la interfaz

del sistema de junta y hormigón. • Los anclajes deben ser colocados dentro del refuerzo del tablero para evitar que se suelten o

que el sistema de anclaje se esfuerce demasiado. • Para que la junta sea hermética debe ser continua a través de toda la superficie del tablero. • Cuando son usadas juntas abiertas se recomienda proteger el hormigón de la subestructura

con un recubrimiento epóxico o selladores químicos. Usualmente las juntas abiertas ya no son recomendadas.

• En sistemas de juntas cerrados, los materiales de caucho o neopreno no deben ser directamente afectados por las cargas de ruedas. Adicionalmente, el diseño debe minimizar la acumulación de escombros que dañen el sello o que impidan el movimiento.

4.2.2 Guía para el Sellado de Juntas en Estructuras de Hormigón [2] El Instituto Americano del Concreto, A.C.I, también tiene una guía enfocada en los sellos para todos los tipos de juntas (Guía para el Sellado de Juntas en Estructuras de Hormigón, ACI 504R-90), a continuación se presentan los aspectos específicos relativos a sellos para juntas en tableros de puentes.

4.2.2.1 Funcionamiento de los sellos:

El funcionamiento del sello en la junta depende tanto del movimiento que debe acomodar y en la forma de la junta, como en las propiedades físicas del sello. Desde el punto de vista del funcionamiento del sello, las juntas de puentes clasifican como juntas a tope, es decir, los elementos estructurales están contiguos y sus movimientos son principalmente horizontales en el plano de la junta. Para funcionar apropiadamente, el sello debe deformarse en respuesta a los movimientos de abertura o clausura de la junta, sin que ningún otro cambio afecte su capacidad para mantener el sellado. Según esto existen tres condiciones funcionales de esfuerzo para los sellos en juntas a tope:

1.- El sello siempre en tracción: Esta condición para la mayoría de los sellos es la principal causa

de falla ya que, aquí se presentan esfuerzos que pueden inducir la falla del sello. Es por esta razón, que no se diseñan sellos bajo esta condición.

2.- El sello siempre en compresión: Este principio es ilustrado en la figura 20, y así se concibe el

funcionamiento de los sellos en compresión que se verán a continuación. 3.- El sello se encuentra en un ciclo de compresión y tracción. La mayoría de los sellos

moldeados in situ y sellos preformados funcionan de esta manera. El comportamiento de estos sellos se ilustra en la figura 21.

Se han desarrollado y experimentado con varias soluciones y éstas se pueden clasificar en dos grupos principales: 1.- Sellos moldeados en situ, que son aplicados en forma líquida o semilíquida y su forma final

está dada por el espacio que provee la apertura de la junta. 2.- Sellos preformados diseñados y desarrollados en la planta de fabricación.

Figura 20: Sellos en compresión. [2]

Figura 21: Sellos en ciclo tensión-compresión. [2]

4.2.2.2 Fallas en los sellos: El malfuncionamiento del sello bajo ciertas condiciones de esfuerzo consistente en fallas por tensión, en el sello o en la conexión a la cara de la junta, éstas son conocidas como fallas cohesivas y adhesivas respectivamente. En el caso de sellos preformados que están diseñados para trabajar siempre en compresión, el malfuncionamiento generalmente proviene de la incapacidad para generar suficiente presión de contacto con las caras de la junta. Los detalles se muestran en la figura 23.

El malfuncionamiento de sellos moldeados in situ, que están diseñados para funcionar en ciclos de compresión y tracción, pueden deberse a la inversión en el sentido del esfuerzo o bajo el esfuerzo sostenido por una deformación constante. Los resultados de la falla se pueden ver en la figura 22. Cuando movimientos secundarios ocurren fuera de la dirección de funcionamiento, como pueden serlo, desplazamientos verticales por asentamiento de cepas o el impacto en las juntas bajo el tráfico; fuerzas de corte ocurren a través de los sellos. La profundidad y el ancho de los sellos, requeridos para acomodar los movimientos principales, pueden proveer cualquier resistencia al corte requerido.

Fig. 22: Fallas producidas en sellos moldeados en situ. [2]

Figura 23: Sello pierde su compresión en clima frío. [2]

4.2.2.3 Efectos de temperatura:

Cambios en la temperatura entre la instalación y el máximo y mínimo experimentado en servicio, afecta el comportamiento del sello. De la figura 24, se puede concluir que mientras más cercana sea la temperatura de instalación a la temperatura media anual, el sello sufrirá menos esfuerzos en su vida útil y se desempeñará mejor en la junta. El rango de temperaturas de servicio ha sido asumido desde -29 a 54 ºC. La diferencia entre el rango de temperatura de servicio y el rango de la temperatura ambiente del aire puede ser considerable, dependiendo de la ubicación, exposición, materiales que están siendo unidos, por la absorción y transferencia de calor del sol y la pérdida debido a la radiación. Los sellos generalmente se desempeñan mejor cuando el movimiento de apertura y clausura de la junta ocurre lenta y uniformemente. Lamentablemente, las juntas de las estructuras raramente se comportan así, donde se encuentran presentes restricciones, como fuerzas de fricción, se debe acumular suficiente fuerza para realizar cualquier movimiento y cuando esto sucede, un desplazamiento repentino ocurre y puede llegar a romper un sello frágil. Este tipo de comportamiento es mencionado en el capitulo dos, en relación al efecto que tienen las placas de apoyo en el movimiento de las juntas. Es por esto que la flexibilidad de los sellos, sobre un rango amplio de temperaturas es importante, particularmente a temperaturas bajas, donde algunos materiales sufren la pérdida de elasticidad y endurecimiento indebido y que bajo otras condiciones pueden ser apropiados como sellos. Generalmente todos los materiales se desempeñan de mejor forma a temperaturas altas, sin embargo, con algunos termoplásticos el reblandecimiento puede acarrear problemas de hundimiento y flujo.

Figura 24: “Efecto de la temperatura de instalación de sellos.” [2]

4.2.2.4 Factor de forma en sellos moldeados in situ: Estos sellos deben ser completamente sólidos (o semisólidos) a temperaturas de servicio y estos alterarán su forma pero no su volumen cuando la junta se cierre o abra. Las fuerzas de cohesión y adhesión desarrolladas por el sello son una función crítica de la forma que éste tiene. Para un sello dado, su extensión elástica es función tanto de la forma del molde en donde fue instalado como de las propiedades físicas del material. Un modelo matemático de la deformación del sello fue desarrollado por Tons, las mediciones de laboratorio mostraron que las superficies expuestas de un sello elásticamente deformado asumen una forma parabólica, incluso hasta cerca de la rotura. Tons concluyó que la extensión total es aumentada directamente con el ancho e inversamente con la profundidad del sello en la junta. Con esto se introduce el factor de forma, que es la razón entre el espesor (o profundidad) y el ancho, el cual influirá en el estiramiento y contracción del sello. En la figura 25 se muestra como afecta el factor de forma a los esfuerzos internos del sello y como al incrementar el ancho y reducir la profundidad se reducen los esfuerzos y mejora el desempeño y al mismo tiempo se ocupa una menor cantidad de material. Es importante considerar que el factor de forma está basado en las tensiones cohesivas del sello y éste debe ser provisto con un área apropiada en la cara de la junta para soportar las tensiones producidas en la unión, es por esta razón, que la experiencia ha indicado un factor de forma mínimo de 3:2 (profundidad / ancho), mayor a lo teóricamente recomendado 1:1 o 1:2 en orden de alcanzar un mejor desempeño. Generalmente la profundidad escogida no debería ser menor a 12.7 mm.

Figura 25: Cambios en el factor de forma afectan las tensiones internas de servicio (S). [2]

4.2.2.5 Función de materiales de soporte y bond breakers

Estos materiales son usados para alcanzar el factor de forma deseado en sellos moldeados, el principal requerimiento para el material del bond breakers es que no se debe adherir al sello. El material de apoyo ayuda al sello a lograr su máxima extensión y evita que este se dañe por hundimiento. Además, el material tiene que ser escogido de tal manera que al comprimirse la junta, éste no empuje al sello y debe mantener el contacto con las caras de la junta cuando esta esté abierta. Recubrir las caras de la junta es esencial para ciertos sellos moldeados, mejora su fuerza de adhesión y también su extensión, especialmente a temperaturas bajas.

4.2.2.6 Determinación de los anchos para sellos moldeados in situ.

Para que los sellos moldeados en situ puedan acomodar el movimiento calculado en la junta, la selección del ancho y profundidad debe estar basada en el esfuerzo máximo permitido en el sello y esto ocurre, en la mayoría de los casos, cuando se encuentran extendidos. La magnitud del movimiento cuando el sello está sometido a este esfuerzo es la diferencia entre el ancho de la junta al tiempo de la instalación y el ancho de la junta en su máxima apertura. Cuando el ancho de la junta es diseñado, usualmente no se puede conocer o especificar una temperatura de instalación precisa, todo lo que se puede hacer es dar un rango de temperatura, tomando la peor situación en que el sello todavía funciona adecuadamente. Un rango práctico de temperaturas tomando en cuenta éste y otros factores como la condensación de la humedad a bajas temperaturas y la reducción de la vida de trabajo en altas temperaturas, ha sido determinado de 4 a 32 ºC. Teniendo en cuenta que cuando la temperatura decae, es la situación más crítica para el desempeño del sello, figura 24. Consecuentemente, se espera que para sellos instalados a temperaturas bajas cercanas al extremo inferior del rango, éstos tengan un mejor desempeño. Para calcular y seleccionar el ancho de la junta para un sello con un rango de expansión-contracción de +25% (que es el rango más común para una amplia clase de sellos termo plásticos endurecidos de curado químico), se puede utilizar el gráfico de la figura 26. Gráficas similares han sido preparadas para otros sellos y condiciones, pero la mayoría de los fabricantes publican ayudas en forma de tablas y gráficos para la selección de los anchos de junta apropiadas para sus productos.

4.2.2.7 Selección del tamaño de los sellos en compresión:

Debe existir una presión permanente contra las caras de la junta, para que los sellos en compresión funcionen apropiadamente. Sellos en compresión de sección transversal abierta (figura 14) deben permanecer en compresión aproximadamente un 85 % del ancho nominal cuando la apertura en junta sea máxima para lograr mantener la suficiente presión de contacto y resistir los desplazamientos generados por cargas de tráficos y otras eventualidades, y no comprimir más del 50 % del ancho nominal a la máxima clausura para prevenir daños por sobre compresión. Este límite de compresión ha sido establecido por los productores y usuarios para estar en el punto cuando el sello alcance 498 kg/cm². La capacidad de movimiento de sellos en compresión de sección transversal abierta (figura 13) es aproximadamente el 35 a 40 % del ancho descomprimido del sello. El rango de movimiento para sellos de sección cerrada, es menor en un 10 %. El principio de la selección del tamaño es similar a los sellos moldeados en situ, en que el ancho descomprimido original del sello es requerido para mantener el sello dentro del rango de compresión especificado, tomando en cuenta a demás la temperatura de instalación, el ancho de apertura normal y el movimiento esperado. La figura 27, tiene un gráfico que determina el ancho del sello para una determinada cantidad de movimiento esperado.

4.2.2.8 Instalación:

La técnica más apropiada para instalar un sello depende de: el material, el ancho, la forma e inclinación de la junta. Cada paso en la construcción y preparación de la junta para recibir el sello requiere de un trabajo cuidadoso y una inspección minuciosa para evitar defectos iniciales que pueden ser costosos y consumir tiempo para corregirlos. Entre las especificaciones para el trabajo se tiene que indicar como debe ser instalado el sello y algunas características especiales requeridas en la construcción o preparación de la junta para recibirlo. Detalle o forma de la junta para la profundidad requerida, ancho y locación debe ser mostrada en los planos. El tiempo más favorable para instalar sellos moldeados en situ, si el programa de construcción lo permite, es en días secos cuando la temperatura esta cercana de la media anual. Sellos en compresión, son más fáciles de instalar en días helados. Preparación de la superficie de la junta Las superficies de la junta deben estar limpias y libres de defectos que puedan impedir la unión de sellos moldeados in situ, o prevenir el contacto uniforme de sellos preformados. Para la remoción de los contaminantes se pueden cortar o cepillar las superficies. Los solventes usados con la intención de remover aceites y otros, usualmente tienen el efecto contrario y llevan los contaminantes más allá dentro de los poros del hormigón. Una limpieza final para remover el polvo es usualmente requerida, esto es esencial donde una unión buena debe ser desarrollada con los sellos termoestables de curado químico. Esta tarea puede ser realizada cepillando las superficies, pero el uso de compresores de aire libres de aceite tiene resultados mejores y más eficientes. Como regla general, las caras de la junta deben estar secas, dado que el sello debe adherirse con el hormigón. Inspección: En la inspección de cada junta, se debe asegurar que se encuentre lo suficientemente limpia y seca. Es necesario también chequear el ancho y la temperatura del hormigón para comparar la con la temperatura de diseño. Las restricciones en el ancho y la temperatura de la junta, al tiempo de la instalación del sello, deberían ser mostradas en los planos.

5 ANÁLISIS DE LOS MATERIALES DE SELLO PARA JUNTAS

La configuración y formación de las juntas, la exposición a condiciones medio ambientales extremas, el contacto con agentes abrasivos, el impacto de cargas de tráfico son variables que imponen restricciones sobre el tipo de material que puede ser utilizado en el diseño de juntas de expansión en tableros de puentes.

En este capítulo se detallan los diferentes materiales cumplen con las características requeridas para el sellado de juntas y sus propiedades funcionales, así como también, un análisis de las especificaciones de la ASTM, American Society for Testing & Materials Specifications y otros estudios desarrollados sobre este tema por organismos específicos.

5.1 Materiales para sellos Ningún material posee todas las propiedades necesarias para cumplir con un comportamiento satisfactorio en la gran variedad de casos, es por esto que el poder seleccionar un material que sea económicamente y técnicamente aceptable para cada aplicación se un aspecto muy relevante dentro del diseño de estos dispositivos para tableros de puentes. En esta sección se presentarán los distintos materiales que actualmente se utilizan para el sellado de juntas y sus características principales, tanto para sellos moldeados in situ como sellos preformados. La información que se presenta a continuación fue obtenida de la Guía para el Sellado de Juntas en Estructuras de Hormigón. ACI 504R-90

Para un desempeño satisfactorio el sello debe: 1.- Ser un material resiliente, 2.- Capaz de deformarse para acomodar el movimiento que experimenta el tablero, 3.- Resistir las solicitaciones mecánicas, impacto y condiciones climáticas extremas, 4.- Adherirse al hormigón, ya sea por medio de mecanismos de anclaje en sellos preformados, o

en el caso de los sellos moldeados in situ, que la superficie del sello unida a la cara de la junta pueda soportar altas tensiones.

En la tabla 7 se presentan los materiales actualmente utilizados para sellos moldeados in situ y preformados:

Tabla 5: Tipos de materiales en aplicaciones para sellos en tableros de puentes.

Material Moldeados en Situ 1.-Termoestables. Aplicados en caliente Asfalto-Caucho

2.- Termoendurecidos. Curado químico Polisulfuro Polisulfuro alquitrán de hulla Poliuretano alquitrán de hulla Siliconas

Preformados 3.- Sellos en Franja Neopreno (Policloropreno) EPDM (Caucho de etileno propileno dieno) Neopreno (Policloropreno)

4.- Sellos en Compresión y Sistemas Tensión-Compresión EPDM (Caucho de etileno propileno dieno)

5.1.1 Materiales para Sello Moldeados en Situ: Para estos materiales existen dos categorías:

5.1.1.1 Termoplásticos, Aplicados en Caliente: Estos materiales son susceptibles a los cambios de temperatura, se vuelven blandos al calor y se endurecen en el frío. Existen un variedad de este tipo de materiales, pero el único que cumple con las restricciones para el uso en juntas de puentes es el Asfalto Modificados con Poliméricos. Este se encuentra usualmente en un rango de extensión-compresión del 5 %. Su tiempo de vida efectivo es corto y tiende a perder su elasticidad y plasticidad con la edad. Las propiedades físicas se pueden ver afectadas negativamente por el sobre calentamiento durante la instalación. 5.1.1.2 Termoestables, Curado Químico: En esta categoría, los sellos pueden ser de uno o dos componentes, los cuales son curados a través de una reacción química desde un estado líquido, cuando es aplicado, a un estado sólido. Entre estos materiales se encuentran el Polisulfuro, el Polisulfuro alquitrán de hulla, el Poliuretano alquitrán de carbón, y la Silicona. Estos son resistentes al desgaste y el ozono, tienen flexibilidad y resistencia; tanto para temperaturas altas y bajas; son inertes a un amplio rango de químicos, como por ejemplo, solventes y combustibles. Todas estas propiedades hacen de estos materiales, apropiados para ser utilizados en juntas de puentes, además, tienen un rango de expansión-compresión mayor a + 100 % / - 50 % para siliconas, 25 % para polisulfuros y poliuretano. Los sellos curados químicamente pueden soportar mayores movimientos, más que cualquier otro sello moldeado in situ; y la silicona se mantiene más flexible en temperaturas bajas, más que cualquier otro sello líquido moldeado in situ. [2]

5.1.2 Materiales para Sellos Preformados:

Estos se pueden clasificar en las siguientes categorías:

5.1.2.1 Sellos en Franja (Membranas): Estos sistemas de sellado son esencialmente impermeables y flexibles, formados con los siguientes materiales: Neopreno (Policloropreno), EPDM (Caucho de etileno propileno dieno). 5.1.2.2 Sellos en Compresión y Sistemas Tensión-Compresión: Para sellos en compresión y sistema tensión-compresión se utilizan comúnmente el Neopreno y el EPDM, ambos cauchos sintéticos. El neopreno tiene alta resistencia al aceite, agua, vapor e intemperie, y también tiene buena adhesión a metales, a los que pueden ser vulcanizados. El EPDM (Caucho de etileno propileno dieno), tiene alta resistencia al agua, pero se deterioran cuando son expuestos al aire y sol. Baja resistencia a aceites y solventes.

5.2 Análisis de las Especificaciones

Para garantizar el buen desempeño de los sistemas de juntas, sus materiales componentes deben cumplir con algunos requisitos mínimos de resistencia, durabilidad y resiliencia. Sin embargo, productos de distintos fabricantes, han presentado un desempeño insatisfactorio y han fallado prematuramente. Es por esto que las especificaciones y los ensayos correspondientes buscan poder garantizar cualidades mínimas para los materiales que componen los distintos tipos de juntas. Desafortunadamente, entre todos los tipos de sellos para juntas usados hoy, sólo los sellos asfálticos modificados con polímeros, sellos en compresión, y los sellos en franja, tienen especificaciones y ensayos que se encuentran disponibles en la ASTM. Pero también se han desarrollado métodos de evaluación y ensayo en laboratorios, que han logrado una mayor efectividad en la identificación de sistemas no adecuados, tanto para sellos termoestables de curado químico como de juntas modulares. Algunas modificaciones a los métodos de ensayo para los sellos vertidos, han sido recomendadas en diversas investigaciones [9], al igual que se han incorporado ensayos para los sistemas de juntas modulares [8]. En cuanto los sellos elastoméricos reforzados y junta Jeene, ningún estudio que desarrolle especificaciones y ensayos para evaluar y controlar sus características, fueron identificados en la literatura.

5.2.1 Sellos Termoestables de curado químico: (Esquema 3.2.1.1 fig. 11)

El estándar más relevante es el ASTM C 719 [23] sin embargo, este tipo de ensayo se ocupa en sellos e impermeabilizaciones de edificios que tienen requerimientos de desempeños menos rigurosos, por lo que, sellos vertidos inadecuadamente pueden pasar la prueba y ser equivocadamente aprobados para la instalación en tableros de puentes. [9] Es por esto que, para mejorar la predicción del desempeño de sellos termoestables instalados en tableros de puentes, los investigadores han modificado métodos de ensayos basados en resultados de pruebas en laboratorio.

5.2.1.1 Preparación de la probeta:

Las dimensiones de la mezcla de mortero y la muestra del sello, debe seguir las recomendaciones en ASTM C 719. El cemento debe ser Tipo III Pórtland, conforme a ASTM C 150 [24]. El agregado de fino debe estar conforme con ASTM C 33 [25]. Deben ser hechos cubos de mortero de 76.2, por 50.8, por 25.4 mm., conforme a ASTM D 1985 [26]. Después del curado de los cubos, éstos deben ser cortados en la mitad para quedar con dimensiones de 76.2 por 25.4 por 25.4 mm., luego deben tener un tratamiento de limpieza de las superficies como se especifica en ASTM D 1985. Cuando las probetas estén completamente secas, las dos mitades deben ser sellas de acuerdo con ASTM C 719.

5.2.1.2 Curado del Sello

ASTM C 719 describe el curado y las condiciones ambientales para sellos de uno o varios componentes. Las condiciones estándares en el ensayo son definidas como una temperatura de 22.8 ± 2.2 ºC, y una humedad relativa de 50 ± 5 %. Para sellos de un solo componente, el período de curado consiste en 7 días de condiciones estándar, seguido por 7 días a 37.8 ± 2.2 ºC y un 95 % de humedad relativa, seguido por 7 días de condiciones estándar. Para sellos con más componentes, éstos deben ser curados en condiciones estándares por 14 días. Después del período de curado, los sellos deben ser inmersos en agua destilada o desionizada por 7 días y luego colocada en un horno a 70 ºC bajo compresión por 7 días.

El proceso de calentamiento está diseñado para determinar la cantidad de compresión que el sello experimentará. Mientras más compresión experimenta el sello, pierde una mayor capacidad de resistencia. Es por esto, que el proceso de curado y condicionamiento especificado en ASTM C 719 es necesario para determinar, si el sello puede acomodar los movimientos de la junta en los días más calurosos de verano. Sin embargo, algunos resultados de los ensayos muestran que el proceso de recalentamiento mejora la fuerza de adhesión de ciertos tipos de sellos. Por esta razón, el ensayo también debe ser realizado con la omisión de los pasos de inmersión en agua y recalentamiento y deben ser curados con solo 14 días en condiciones estándares. Sellos sin recalentamiento, son representativos de instalaciones en el otoño. Estas probetas pueden ser después ensayadas con los sellos que fueron inmersos y recalentados a la misma edad en el día 35 y el día 28 después de la fabricación para sellos de uno y varios componentes, respectivamente.

Además de las dos condiciones de curado mencionadas anteriormente, sellos de un solo componente deben ser curados en condiciones estándares por 21 días consecutivos, seguido por una sucesión de condiciones estándares por 14 días, con tal de ensayar junto con otro sello de un componente en el día 35.

El remover el período de 7 días de la elevación de temperatura y humedad, es realizado porque el tiempo de curado para la mayoría de los sellos simples depende completamente de la cantidad de humedad en el ambiente. La condición de curado bajo estas condiciones tiene la intención de simular el curado de sello en climas secos y lugares con humedad donde se requiere mayor tiempo de curado.

5.2.1.3 Ensayo:

El método original especificado en ASTM C 719, requiere que las probetas de sellos se sometan a ciclos de compresión y extensión sin embargo, investigadores observaron que este método es inadecuado para determinar con exactitud, la capacidad de resistencia de los sellos para puentes moldeados in situ. Los sellos deben ser sometidos a tensión pura hasta la falla, en vez de ciclos de compresión y tracción. Los ensayos deben ser desarrollados en dos temperaturas diferentes, la temperatura estándar descrita en ASTM C 719 y -40 ºC. Tres probetas para cada condición de curado descrita anteriormente, deben ser ensayadas para cada temperatura.

5.2.1.4 Selección del sello:

La guía para la aceptación del sello está basada en la capacidad de tensión del sello. Para evaluar la capacidad de tensión, los resultados de los ensayos de tracción en probetas curadas de acuerdo con ASTM C 719, incluyen los pasos de la inmersión en agua y recalentamiento. El ensayo a 40 ºC representa el peor escenario para los sellos que son estirados hasta su extensión máxima en el invierno después de experimentar compresión durante el verano. Para pasar el ensayo, el sello debe mostrar un mínimo de 100 % de estiramiento antes de la falla.

Para evaluar la fuerza de adhesión, ensayos de tracción deben ser realizados en probetas de sellos de un componente, curados por 21 días en condiciones estándares y sellos con más componentes deben ser curados por 14 días en condiciones estándares.

Como fue mencionado anteriormente, las probetas no son inmersas en agua ni recalentadas en el horno porque el calor puede aumentar su fuerza de adhesión. Resultados para ensayos en condiciones estándares y a -40 ºC, deben ser usadas para determinar la fuerza de adhesión. Para cumplir con los requisitos del ensayo, un sello debe mostrar un mínimo de 200 % de estiramiento sin despegarse de los bloques de mortero. El tiempo para que el sello desarrolle una consistencia adecuada, debe ser menor a 6 hrs, y el tiempo requerido para la preparación de la cara de la junta debe ser limitada a 24 hrs.

5.2.2 Sellos Asfálticos Modificados con Polímeros: (Esquema 3.2.1.2 fig. 12)

Los requisitos mínimos que deben cumplir las Juntas de Tapón Asfáltico se encuentran descritos en ASTM D6297-01 [27]. En esta norma se encuentran los diferentes ensayos y exigencias a los que deben ser sometidos los siguientes materiales que componen la junta: Recubrimiento Asfáltico, Barra de Apoyo, Agregado y Placa.

5.2.2.1 Recubrimiento Asfáltico:

5.2.2.1.1 Ensayo de Punto de Ablandamiento:

Este se realiza debido a que los asfaltos de diferentes tipos se reblandecen a diferentes temperaturas y este consiste en llenar el asfalto fundido en un anillo. El ensayo se debe realizar de acuerdo con ASTM D36 [28]. La muestra se suspende un baño de agua y sobre de la muestra se sitúa una bola de acero de dimensiones y peso especificados; como se muestra en la figura 28; para luego calentar el baño de agua a una velocidad determinada, se anota la temperatura a la cual la bola de acero toca el fondo del vaso de cristal, esta temperatura se denomina punto de ablandamiento del asfalto. La ASTM D6297-01 requiere una temperatura de ablandamiento mínimo de 83ºC.

Fig. 28: Ensayo punto de ablandamiento, anillo y bola.

5.2.2.1.2 Ensayo de Ductilidad

La ductilidad se mide por el alargamiento antes de producirse la rotura de una probeta de material asfáltico estirada por sus extremos con una velocidad constante. Este ensayo se debe realizar según la el ASTM D113 [29], la figura 29 muestra en forma esquemática el ensayo. La ASTM D6297-01 requiere que el material logre una elongación antes de la rotura de 400 mm a una temperatura de 25 ºC.

Fig 29: Esquema de Ensayo de Ductilidad para cemento asfáltico

5.2.2.1.3 Ensayo de Penetración a Temperatura baja: El procedimiento del ensayo debe realizarse según la ASTM D5 [30]. Consiste en la penetración de una muestra del material asfáltico bajo una temperatura de -18 ºC y por medio de una aguja de 200 g, por un tiempo de 60 seg. La preparación de la probeta debe estar de acuerdo con ASTM D244 [32] En la figura 30 se encuentra un esquema del ensayo. La ASTM D6297-01 requiere una penetración mínima de 1 mm.

Procedimiento de los ensayos:

El procedimiento de los siguientes ensayos debe realizarse según la ASTM D5329 [31].

5.2.2.1.4 Ensayo de penetración Este consiste en la penetración de una muestra del material asfáltico bajo una temperatura de 25 ºC y por medio de una aguja de 150 gr. de peso, por un tiempo de 5 seg. La preparación de la probeta debe estar de acuerdo con ASTM D244. La ASTM D6297-01 requiere una penetración máxima de 7.5 mm.

Fig. 30: Esquema de Ensayo de Penetración.

5.2.2.1.5 Tensión de adhesión El ensayo se realiza por medio de un equipo que aplica tracción a la probeta en condiciones normales (23 ± 2 ºC), a una tasa de 12.7 ± 2.5 mm/min, continuando la extensión hasta que la muestra alcance la falla cohesiva o adhesiva. La ASTM D6297-01 requiere una elongación mínima del 700%.

5.2.2.1.6 Fluencia Molde: Construir un molde de 40 x 60 x 3.2 mm (ancho, largo, profundidad), y colocarlo en un panel de hojalata con un espesor entre 0.25 y 0.64mm. Preparación de la probeta: Verter un porción de la muestra preparada de acuerdo con ASTM D5167 [33]. Dejar que la muestra se enfríe al menos una hora y media, luego quitar el molde y dejar que la muestra se cure en condiciones estándar como lo recomiendan las especificaciones del material. Procedimiento: Marcar líneas de referencia en el panel en el borde inferior del sello. Luego colocar el panel con la muestra en un horno conforme a ASTM E 145 [34], a una temperatura de 60 ºC por 5 horas. Durante el ensayo, montar el panel de tal manera que el eje longitudinal esté en un ángulo de 75º ± 1º con la horizontal y que el eje transversal este horizontal. Luego medir el escurrimiento de la muestra bajo las líneas de referencia. La ASTM D6297-01 requiere un escurrimiento máximo de 3 mm.

5.2.2.1.7 Resiliencia Equipamiento: Conducir este ensayo usando el penetrómetro estándar descrito en el método de ensayo ASTM D5, exceptuando que hay que reemplazar la aguja del penetrómetro con una bola de penetración, que junto con el eje del penetrómetro deben pesar 75 ± 0.01 g.

Preparación de la probeta: Preparar la probeta según lo especifica la ASTM D5167 usando un pote de 177.5 cm³, curar la probeta a 25 ºC.

Procedimiento: Fijar el dial indicador en cero y colocar la bola de penetración en contacto con la probeta, soltar la bola de penetración y permitir que penetre por 5 segundos y anotar la lectura como P. Luego presionar para la bola de penetración baje 100 unidades adicionales más en 10 segundos y anotar la lectura como P+100. Soltar el fijador de la bola de penetración permitiendo que la probeta se recupere por 20 segundos y anotar la lectura final, F. Recuperación, % = P+100 – F, La ASTM D6297-01 requiere un porcentaje de recuperación entre un 40 y 70%.

5.2.2.1.8 Flexibilidad

Preparación de la probeta: Preparar la probeta como lo especificado en el ensayo de Fluencia.

Procedimiento: Colocar la probeta en un horno, mantenido una temperatura de 70º ± 1 ºC por 72 horas. Después remover del horno a -23 ºC por 24 horas, luego doblar lentamente el panel de lata con la muestra intacta sobre una prensa mandril de 6.4 mm de diámetro produciendo una curva de 90º en el panel con un radio máximo en la curva de 3.2 mm. Localizando la curva en el punto medio del largo de la probeta. La ASTM D6297-01 requiere que la probeta supere este procedimiento sin dañarse o separarse del panel.

5.2.2.1.9 Asphlt Compatibility

Preparación de la probeta: Las probetas preparadas de acuerdo con la sección en Probetas de Ensayo de los Métodos de Ensayo D 1559, D 1074, o D 1561, son apropiadas para este propósito.

Preparación de las probetas de asfalto: Preparar dos probetas de ensayo no menores a 100 mm en diámetro y 63 mm de altura de mezcla asfáltica caliente usando un cemento asfáltico con un grado de viscosidad AC-20 como se describe en ASTM D 3381 [35]

Acanalar bloques de asfalto: Cortar una ranura de 100 mm de largo por 13 ± 3.2 mm de ancho por 19 ± 3.2 de profundidad en la superficie superior de cada probeta. Luego limpiar las ranuras con agua para que no queden residuos del corte. Envolver con cinta adhesiva de tela la probeta o reforzarla para que no descienda o colapse durante el ensayo. Sellar con masilla los extremos de las ranuras para prevenir derrames. Verter el sello de juntas, preparado como se describe en ASTM D5167, dentro de las ranuras, rellenándolas completamente.

Procedimiento: Colocar las probetas en un horno de tiro forzado, a una temperatura de 60 ± 3ºC. Inmediatamente después de retirarlo del horno, examinar las probetas en busca de las incompatibilidades (como las requeridas en las especificaciones del material) del sello con el cemento asfáltico. La ASTM D6297-01 dice que debe cumplir con las incompatibilidades especificadas por el fabricante.

5.2.2.2 Barra de Apoyo

La barra de apoyo tiene que ser un cilindro de espuma celular, con un diámetro de 150 % del ancho de la apertura y capaz de soportar la alta temperatura del material de recubrimiento. Debe tener las siguientes propiedades:

Tabla 6: Ensayos y Requisitos mínimos para la barra de apoyo Descripción Ensayo ASTM Requisitos

Densidad D1622 32 Kg/m³ Resistencia a Tracción D1623 172 kPa Absorción de Agua C509 1.0 % de la masa Compresión 50 % D545 91.7 kPa Expulsión D545 2.54 mm Recuperación D545 99.21 % Vol. Absorción de Agua D545 0.246 %

5.2.2.3 Agregado:

El agregado para el material asfáltico debe ser chancado, lavado, pre-pesado, pre-empaquetado. Debe ser suministrada en tamaños nominales de 19, 12.5, 9.5 mm según lo recomienda el fabricante de la junta.

5.2.2.4 Placa:

De acuerdo a la ASTM D6297-01, el material debe ser Acero Templado o Aluminio, que cumpla con los requerimientos de ASTM A36 o A36M-Acero templado y ASTM B209, aluminio. Las dimensiones mínimas de la placa son de 1.2 m de largo, 200 mm de ancho y 6 mm. de espesor.

5.2.3 Sellos en Compresión: (Esquema 3.2.2.1 fig. 14)

Las características de desempeño para sellos en compresión están descritas en ASTM D 3542 [36]. La especificación es sólo aplicable a los sellos en donde su altura excede el 90 % de su ancho nominal (Altura > 0.9 x Ancho). Los ensayos que permitirán calificar a los sellos en compresión para el uso en juntas de puentes incluyen recuperación elástica, propiedades de compresión-flexión, resistencia a la tracción, dureza, envejecimiento de horno, hinchamiento y resistencia al ozono.

5.2.3.1 Recuperación elástica:

Los ensayos de baja y alta recuperación son usados para determinar el grado de recuperación de un sello a compresión después que ha sido comprimido un 50 % de su ancho, por una cantidad de tiempo especificada bajo condiciones de temperatura extrema. El porcentaje de recuperación deberá ser calculado con la expresión:

100⋅=n

r

WW

R

Donde R = recuperación, % rW = ancho recuperado, mm.

nW = ancho nominal, mm.

Se deben realizar un total de 6 probetas para el ensayo cortando de una muestra del sello. Dos de estos serán usados para el ensayo de alta recuperación y los cuatro restantes son usados para el ensayo de baja recuperación.

Las probetas deben ser dobladas un 50 % de su ancho nominal usando el ensamblaje especificado en el Método B de ASTM D 395 [37]. Para el ensayo de alta recuperación, dos probetas comprimidas son colocadas en un horno, conforme a ASTM D 573 [38], por 70 hrs. El horno debería ser capaz de mantener una temperatura de 100 ± 1.1 ºC. Las probetas deberían ser calentadas previamente. Después del ensayo, la fuerza de compresión es retirada y a la probeta se le permite recuperarse a 22.8 ± 2.2 ºC por una hora antes que el ancho recuperado sea medido. ASTM D 3542 requiere 85 % de alta recuperación.

De acuerdo con ASTM 3542 los sellos a compresión deben ser ensayados en dos condiciones para el ensayo de baja recuperación, -10 ± 1.1 ºC por 72 hrs. y -28.9 ± 1.1 ºC por 22 hrs. Dos probetas deberán ser ensayadas bajo cada una de las dos condiciones. ASTM D 3542 requiere un 88 % de baja recuperación en probetas ensayadas a -10 ± 1.1 ºC y 83 % a -28.9 ± 1.1 ºC.

5.2.3.2 Propiedades de Extensión-Compresión.

El propósito del ensayo de compresión-deflexión es determinar el rango de movimiento de un sello a compresión. Los resultados del ensayo están dados en términos del Límite Mínimo de Compresibilidad (LC mín) y el Límite Máximo de Compresibilidad (LC máx). Ambos límites son expresados como porcentaje del ancho nominal. LC mín es definido como el ancho comprimido correspondiente a una presión de contacto de 42.7 kgf/cm². LC máx es definido como el ancho comprimido correspondiente a una presión de contacto de 497.8 kgf/cm².

Las probetas para el ensayo de compresión-deflexión son preparadas en la misma forma que el ensayo de alta y baja recuperación. Las fuerzas requeridas para los ensayos LC mn y LC m´´ax, serán obtenidas multiplicando el área de contacto por 42.7 y 497.8 kgf/cm² respectivamente. Las fuerzas requeridas serán aplicadas a las probetas de acuerdo con el Método A de ASTM 575 [39]. Durante la compresión, la tendencia de la superficie superior de la probeta es a desalinearse horizontalmente, si se desalinea más de 6.5 mm, el sello debería ser rechazado. La diferencia entre LC mín y LC máx es el rango permisible de movimiento para la probeta.

5.2.3.3 Resistencia a la tracción

A pesar de que los sellos siempre trabajan en compresión la resistencia a la tracción y la elongación de rotura son dos parámetros importantes para verificar la calidad del material y pueden ser usados para predecir como los sellos se desempeñaran durante su vida útil. El método del ensayo está explícitamente detallado en ASTM D 412 [40].

El ensayo debe realizarse a una temperatura de 22.8 ± 2.2 ºC, y una humedad relativa debe ser mantenida a 50 ± 5 % a lo largo del ensayo, si el material es afectado por la humedad. Las probetas deben ser colocadas bajo esas condiciones a lo menos 24 hrs. antes que el ensayo se efectúe.

Para que los sellos a compresión cumplan con los requerimientos de ASTM D 3542, deben demostrar una resistencia a la tensión de 28447 kgf /cm² y una elongación mínima a la rotura de 250%.

5.2.3.4 Dureza La dureza de los sellos debe ser probada por un durómetro tipo A como se especifica en la ASTM D 2240 [41]. Las probetas del ensayo deben ser al menos 6.4 mm de espesor. Este grosor puede ser obtenido por una composición de piezas empleadas. Las superficies de las probetas deben ser planas y paralelas sobre un área suficiente para que el pie de la prensa tenga un diámetro mínimo de contacto de 12.7 mm en la probeta. También, las superficies de la probeta no deben ser redondas, disparejas, o ásperas. La ASTM D 3542 requiere que el sello muestre una dureza Shore de 55 ± 5 puntos.

5.2.3.5 Envejecimiento al Horno

Los ensayos de tracción y dureza se realizan en probetas que son colocadas en un horno a 100 ºC por 70 h. La preparación de las probetas es exactamente la misma que en las secciones mencionadas anteriormente para cada ensayo. Después que las probetas son calentadas por 70 h, ellas son ensayadas para la resistencia a la tracción y elongación de rotura de acuerdo con ASTM D 412 y ensayadas para la dureza de acuerdo con ASTM 2240. Para lograr pasar los ensayos, los sellos no deben perder más del 20% de su resistencia a la tracción o elongación a la rotura y no pueden aumentar su dureza Shore más de 10 puntos, comparando a los resultados para los ensayos en condiciones normales.

5.2.3.6 Hinchamiento

El ensayo de dilatación de aceite es usado para determinar habilidad de los materiales sello para soportar el efecto de líquidos derivados del petróleo. El método del ensayo está detallado en ASTM D 471 [42]. A menos que sea especificado de otra manera, las probetas deben ser preparadas de acuerdo con los requerimientos de ASTM D 3182 [43] y la ASTM D 3183 [44]. El aceite tipo ASTM Oil No.3 debe ser usado en el ensayo. El ensayo es realizado a 100 ºC por 70 h. ASTM D 3542 especifica que el sello no debe experimentar aumento de peso mayor al 45%.

5.2.3.7 Resistencia al ozono

El ensayo de resistencia al ozono es usado para estimar la resistencia de los materiales de sello al agrietamiento cuando están expuestos a un ambiente que contiene ozono. El método del ensayo es explicado en ASTM D 1149 [45]. Las probetas deben ser preparadas de acuerdo con el Método A de la ASTM D 518 [46]. Las probetas deben ser limpiadas con tolueno para remover la contaminación de la superficie antes del ensayo. Luego las probetas son colocadas en una cámara que contenga 300 partes por millón (ppm) de ozono en el aire y deben estar sujetas a una tensión de tracción en la superficie de un 20% a una temperatura de 40 ºC por 70 h. ASTM D 3542 especifica que el sello no debe mostrar agrietamiento después del ensayo. Las probetas fallan el ensayo si se agrietan, separan o se pegan durante el ensayo de baja y alta recuperación descritos anteriormente.

5.2.4 Sellos en Franja. (Esquema 3.2.2.2 fig. 16)

Las especificaciones para sellos en franja están descritas en ASTM D 5973 [47]. El uso de acero estructural para los rieles fijadores debe cumplir con ASTM A 588, Especificaciones Estándares para Acero Estructural de Alta-resistencia Baja-Aleación con 345 MPa punto de fluencia en 100 mm de espesor, ASTM A 36 [48]; ASTM A 572 [49]; u otras especificaciones dadas por el comprador.

Muchos de los ensayos a los sellos en franja son los mismos mencionados en ASTM D 3542 para sellos en compresión, sin embargo, un par de ensayos especificados en ASTM 5973 no se mencionan en ASTM D 3542. Los ensayos que son excluidos en ASTM D 5973 son los ensayos de alta y baja recuperación y el ensayo de compresión-deflexión. En lugar de eso, un ensayo de rigidez a baja temperatura y un ensayo a compresión son incluidos en ASTM D 5973. Las siguientes secciones proveen breves explicaciones de los ensayos usados para medir la resistencia a la tracción, dureza, envejecimiento al horno, hinchamiento, resistencia al ozono, rigidez a baja temperatura, y compresión. Detalles que conciernen a la preparación de las probetas no serán dadas si el método es el mismo que se describió anteriormente para sellos en compresión.

5.2.4.1 Resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción y la elongación de rotura para los materiales de sellos en franja, se ensayan de acuerdo a ASTM D 412. ASTM D 5973 requiere que el sello en franja muestre un mínimo de resistencia a la tensión de 28447 kgf/cm² y un mínimo de elongación a la rotura de 250%.

5.2.4.2 Dureza La dureza de los sellos se prueban con un durómetro (Shore Tipo A) como se especifica en ASTM D 2240. La especificación ASTM D 3542 requiere que los materiales de los sellos en franja muestren una dureza Shore de 55 a 65 puntos.

5.2.4.3 Envejecimiento al Horno:

La resistencia a la tracción, elongación de rotura y dureza de durómetro de los materiales de sellos en franja deben ser medidos después que éstos hayan sido colocados en un horno a 100 ºC. Después que las probetas son calentadas por 70 h, son luego ensayadas para resistencia a la tracción y elongación de rotura de acuerdo con ASTM D 412 y dureza de durómetro de acuerdo con ASTM D 2240.

Los materiales de sellos en franja que aprueben el ensayo no podrán perder más del 20% de su resistencia a la tracción o elongación de rotura y no deben tener un incremento de dureza que exceda los 10 puntos comparando los resultados del ensayo bajo condiciones normales.

5.2.4.4 Hinchamiento:

El ensayo de hinchamiento en aceite se realiza de acuerdo con ASTM D 471. El tipo de aceite usado en el ensayo debe ser ASTM Oil No.3. El ensayo es desarrollado a 100 ºC por 70 h. ASTM D 5973 requiere que el incremento de peso del material del sello en franja no exceda el 45%.

5.2.4.5 Resistencia al Ozono:

Materiales de sellos en franja deben ser ensayados para la resistencia al ozono de acuerdo con ASTM D 1149. ASTM D 5973 requiere que el material del sello en franja no muestre agrietamientos después del ensayo.

5.2.4.6 Rigidez a baja temperatura:

El ensayo de rigidez a baja temperatura se usa para determinar el cambio en la dureza del material del sello en franja, después de ser colocado a -10 ºC por 7 días. El ensayo debe ser desarrollado de acuerdo con ASTM D 2240. ASTM D 5973 requiere el material del sello en franja no tenga un incremento en la dureza Shore que exceda 15 puntos después de la condición de baja temperatura.

5.2.4.7 Compresión:

La aplicación de la compresión en materiales de sellos en franja, realizado de acuerdo al método B de ASTM D 395. Las probetas del ensayo consistentes en discos cilíndricos cortados y preparados en laboratorios. Las dimensiones estándar de las probetas son de 6.1 ± 0.25 mm de espesor y 12.95 ± 0.25 mm de diámetro. Todas las probetas deben estar expuestas a 22.8 ± 2.2 ºC por al menos 3 h antes del ensayo. Si la aplicación de compresión, en aplicaciones anteriores, ha mostrado que se ve afectada por la humedad atmosférica, las probetas deben expuestas a una humedad relativa de 50 ± 5 % por al menos 24 h antes del comienzo del ensayo.

Después que las probetas son colocadas bajo las condiciones especificadas, se deben comprimir a una deflexión constante usando una prensa de compresión a 100 ºC por 70 h, luego el resultado de la aplicación de compresión, se calcula usando la ecuación:

100⋅−

=o

fo

ttt

CS

Donde CS = Porcentaje de Compresión. ot = Espesor Original. ft = Espesor Final

ASTM D 5973 exige que el material de sello en franja no muestre una deformación de compresión permanente superior al 35%.

5.2.5 Juntas Elastoméricas Reforzadas: (Esquema 3.2.2.4 fig. 12)

A pesar que existen especificaciones que regulan la calidad de los materiales que componen este sistema, en la bibliografía no se encontraron estudios, ni ensayos a largo plazo, que simulen las condiciones que este tipo de sello debe soportar en terreno.

Según el Manual de Carreteras vol.5 ITEM 350 el perfil de policloropreno deberá cumplir las siguientes características técnicas, y ser sometido a ensayos y/o certificaciones de acuerdo a las instrucciones del Departamento de Puentes:

5.2.5.1 Ensayos de la probeta sin envejecer:

a) Dureza 60±10 Shore, según ASTM D-2240. b) Tracción y elongación, según ASTM D-412 (Tracción Rmin=120 kgf/cm², Elongación mínima

350%) c) Deformación por compresión según ASTM D-395, se ensayará a 100°C durante 22 horas

(Deformación máxima admisible 35%)

5.2.5.2 Ensayos de la probeta sometida a envejecimiento:

La probeta se calentará según ASTM D-573 (100°C durante 72 horas), para luego realizar los siguientes ensayos:

a) Dureza (variación máxima admisible 10 puntos) b) Tracción (disminución máxima admisible 15%) c) Elongación (disminución máxima admisible 40%)

5.2.5.3 Compresión:

Según ASTM D-395 método B (100°C durante 22 horas), deformación máxima admisible 35%.

5.2.5.4 Resistencia al ozono:

Según ASTM D-1149 (el elemento no deberá presentar ninguna grieta).

5.2.5.5 Placa de Refuerzo:

El dispositivo de anclaje de acero debe estar de acuerdo con ASTM A36.

5.2.6 Adhesivos:

Los adhesivos son utilizados con frecuencia para facilitar la instalación de sellos a compresión y sellos en franja y para asegurar una unión adecuada en el tablero del puente. El adhesivo para estas aplicaciones debe cumplir con ASTM D 4070 [50] estás especificaciones pueden ser divididas en dos partes, requerimientos generales y físicos. Los requerimientos generales establecen que el adhesivo debe ser de un solo componente, curado en humedad, componente poliuretano extendido con un solvente de hidrocarburo. Los componentes deben proveer una lubricación adecuada para la inserción del sello en la junta y, en la aplicación efectiva en terreno, debe adherir el sello a la cara de la junta, durante los repetidos ciclos de expansión y contracción, sellando efectivamente la junta. La segunda parte de las especificaciones describe una serie de ensayos para evaluar las propiedades físicas de los adhesivos, incluyendo contenido de sólidos, viscosidad y relación de corte, Lubricating Life, sag, y Peel Strength. Para que las probetas del adhesivo sean ensayadas cada una debe ser un cuarto del volumen de un galón, que está formado por tres o más muestras separadas escogidas al azar.

5.2.6.1 Contenido de sólidos:

El ensayo de contenido de sólidos se realiza, colocando uniformemente 1.6 g del adhesivo con una varilla, sobre una hoja de aluminio en un plato.

Luego son colocados en un horno a 105 ± 2.2 ºC por 3 h aproximadamente. El contenido de sólidos es calculado con la expresión:

100⋅=s

r

WWSC

Donde SC = Contenido de Sólidos, %

rW = Peso del Residuo, en g

nW = Peso de la muestra, en g

ASTM D 4070 requiere que el contenido de sólidos del adhesivo sea al menos un 60%.

5.2.6.2 Viscosidad y Relación de Corte:

La viscosidad del material es determinado a 22.8 ± 2.2 ºC de acuerdo con el método B de ASTM D 1084 [51]. ASTM D 4070 requiere una viscosidad entre 20000 y 300000 cP.

La relación de corte del material puede ser calculado dividiendo la viscosidad a 0.5 rpm por la viscosidad a 2.5 rpm. Para que los materiales adhesivos alcancen los requerimientos ellos deben tener una relación de corte mínimo de 1.5, 2.0, y 2.5 para viscosidades en el rango de 20000 a 100000 cP, 100001 a 200000 cP, y 200001 a 300000 cP, respectivamente. Sin embargo, en cualquier rango de viscosidad, el material adhesivo no debe tener una relación de corte mayor que 4.0.

5.2.6.3 Lubricating Life En el ensayo de vida lubricante, se aplica el adhesivo sobre una superficie de dimensiones; 63.5 a 76.2 mm de ancho por 152.4 de largo por 0.76 ± 0.1 mm. de espesor; sobre una placa de vidrio. Para determinar la vida lubricante del adhesivo, la tira de recubrimiento es friccionada en intervalos de 30 minutos. Al tiempo que la fricción aumenta notablemente y el material empieza a espesar o se vuelve pegajoso, es registrado como la vida del lubricante. Para pasar el ensayo, el lubricante debe tener al menos 2 h de vida lubricante como se especifica en ASTM D 4070.

5.2.6.4 Sag:

Las probetas evaluadas en el ensayo de pandeo son preparadas de la misma manera descrita en el ensayo de vida lubricante. Después que la muestra del adhesivo es aplicada al vidrio, este se voltea de manera que la muestra enfrente el suelo por una hora. El lubricante es rechazado si el pandeo ocurre dentro de la primera hora del ensayo.

5.2.6.5 Peel Strength:

Los procedimientos para el ensayo de resistencia de piel están detallados en ASTM D 4070. En este ensayo son usados los siguientes elementos: tiras de caucho, bloques de hormigón, rodillos de acero, bloques de acero, y pesos de 0.5 y 1 kg. La superficie de una tira de caucho de 25.4 mm de ancho, es tratada con un esmeril, de tal manera la superficie de la tira se vuelva áspera, luego con una brocha, se le aplica un recubrimiento de adhesivo, también se aplica a la superficie del bloque de hormigón. Un rodillo de acero de 50.8 mm, con un peso de 4.5 kg. es usado para rodar sobre la tira del caucho, luego que las dos superficies recubiertas hayan sido pegadas. Luego de pasar seis veces con el rodillo, un bloque de acero de 50.8 mm de ancho, con un peso de 4.5 kg es colocado en la tira, y la probeta es curada por 48 hrs. Después del curado, el bloque de acero es removido, y alrededor de 25.4 mm de uno de los extremos de la tira de caucho es separada del hormigón. Luego el bloque es rotado de tal manera que la tira quede horizontal al suelo pero enfrentándolo. Luego un peso de 0.5 Kg. es suspendido desde el extremo libre de la tira de caucho por 3 minutos. La distancia de la tira que es arrancada del concreto es medida, y el peso es retirado. El proceso es repetido para un peso de 1 kg. ASTM D 4070 requiere un máximo de largos arrancados del hormigón es de 0 a 12.7 mm para 0.5 y 1 Kg, respectivamente.

5.2.7 Juntas Modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19)

Las especificaciones de ensayos para sistemas de juntas modulares no se encuentran en los Standard del ASTM, sin embargo, la National Cooperative Highway Research Program realizó un estudio, en que se determinaron los requerimientos para los materiales que componen estos sistemas, tales como, resistencia a la fatiga, corrosión, amplitud de movimiento admisible, y vibración. Esto se logra simulando en laboratorio las condiciones en que se verán expuestos en terreno los sistemas de juntas modulares. El estudio consistió en buscar los ensayos que puedan predecir el comportamiento en terreno de este sistema de sellado, los ensayos desarrollados se describen a continuación para explicar el funcionamiento de las juntas modulares.

5.2.7.1 Ensayo OMV (Opening Movement Vibration test)

El ensayo de movimiento de apertura y vibración, simula el movimiento más común de MBJS (Modular Bridge Joint System), el movimiento debido a la expansión y contracción termal de la superestructura. Además, también simula las cargas de tráfico durante la vida en servicio.

El movimiento longitudinal simulado será cíclico con una frecuencia que no exceda los 0.1 Hz, y con un desplazamiento de ± 50.8 mm. para la apertura media de la junta, éste debe ser aplicado en el centro de la muestra por medio de una viga repartidora, que se encuentra sujeta a la viga separadora de borde y a cada caja de soporte en el extremo libre para el movimiento de la MBJS, como se aprecia en la figura 31.

Las cargas de tráfico simuladas deben ser aplicadas por un vibrador neumático de alta frecuencia, capaz de ejercer una presión de al menos 33 kN con una frecuencia entre 125 y 150 Hz. El vibrador debe ser colocado lo más cerca posible al centro de la conexión entre la viga separadora central y la barra de soporte y no debe exceder 30 cm desde el centro de vibración al centro de la conexión. Y no deberá impedir el movimiento de longitudinal de apertura y clausura.

Fig. 31: Esquema de montaje para ensayo de OMV, para Juntas Modulares [8]

5.2.7.1.1 Definición de la Falla:

Cuando cualquier componente de la muestra impida el correcto funcionamiento o que reduzca la capacidad de carga del sistema será definido como falla. Los siguientes criterios han sido observados en los ensayos preliminares. Conexiones Soldadas: Cuando ocurran grietas por fatiga o fracturas en cualquier soldadura debe ser considerado como falla.

Componentes Elastoméricos:

Cualquier movimiento fuera de la posición diseñada para los apoyos y resortes de control deberá ser considerado como falla. Cualquier movimiento fuera de la posición de diseño para los resortes de control también debe ser considerado como falla si la mayor abertura entre cualquiera de dos vigas separadoras de borde o vigas separadoras centrales es mayor que el doble de la menor abertura. La perdida de adherencia del sello o de impermeabilidad es una falla, si ocurre antes de 9.130 movimientos longitudinales simulados (equivalentes a 25 años de vida).

Conexiones Apernadas:

El aflojamiento, fractura, o movimiento fuera de lugar de los pernos usados en cualquier conexión debe ser considerado como falla.

Termino del Ensayo:

El ensayo deberá continuar aunque se presenten fallas hasta que:

- Hayan concluidos 27400 ciclos de movimientos longitudinales simulados (equivalente a 75

años de vida) - El MBJS no funciona apropiadamente. - Se estima arriesgado continuar con el ensayo

5.2.7.2 Ensayo SPO (Seal Push Out Test)

Una vez las muestras hayan superado el ensayo OMV, deben ser sometidas al ensayo SPO, con un mínimo de cinco ensayos consecutivos a cada muestra. El ensayo no simula las condiciones reales de servicio, como escombros en un sello, sin embargo el ensayo puede ser usado para medir la efectividad del sello para resistir cargas verticales. Un marco de carga que reacciona en si mismo fue construido para instalar la muestra. El marco consiste en dos columnas y una viga que se conecta, ya sea con sujetadores o soldando a las vigas del borde del sistema.

5.2.7.2.1 Aplicación de la carga:

Las cargas deben ser aplicadas a los sellos por un dispositivo capaz de controlar el desplazamiento y entregar un mínimo de 22.4 kN de fuerza con un medidor de la carga aplicada. El sello debe ser abierto 75 ± 10 mm mientras se realiza el ensayo. El desplazamiento debe ser aplicado perpendicular al plano de las vigas separadoras centrales. Las cargas deben ser aplicadas al sello a través de una barra de acero cilíndrica, con un diámetro de 25.4 mm y 533.4 mm de largo. La carga será aplicada con una de tasa de desplazamiento de 10 mm/ seg. Un esquema del ensayo se puede apreciar en la figura 32.

5.2.7.2.2 Definición de la falla.

Si cualquiera de los ensayos para una muestra en particular falla al llegar a una fuerza mínima de 6000 N debe ser considerado como falla. En el caso eventual, que sólo uno de los cinco ensayos consecutivos falla antes de alcanzar el mínimo requerido, ese ensayo debe ser descartado y reemplazado por tres nuevos ensayos consecutivos usando la muestra original.

Fig. 32: Esquema de montaje para ensayo de remoción del sello [8]

5.2.7.1 Requerimientos para los materiales que componen los sistemas modulares

5.2.7.1.1 Sellos Elastoméricos:

La revisión de las especificaciones de ASTM, ha mostrado apropiadas especificaciones para sellos en franja: ASTM D5973, y para sellos de expansión con múltiples almas AASHTO M 297 y ASTM D 3542. Se considera que los sellos bajo estas especificaciones tienen un desempeño adecuado, con la excepción de que tienen la susceptibilidad de separarse desde las vigas de borde y vigas centrales. Los estándares del ASTM pueden asegurar la calidad del material, pero no pueden predecir la interacción de estos componentes con las vigas separadoras centrales y de borde. El ensayo SPO evalúa específicamente la susceptibilidad de separación del sello frente a cargas verticales. Es por esto que se concluyó, que no se necesitan ensayos adicionales, ni requerimientos para los componentes de los sellos para asegurar su desempeño y durabilidad. [8]

En el caso de los amortiguadores y apoyos elastoméricos, las especificaciones dadas en ASTM, fueron encontradas poco efectivas, ya que estaban referidas a materiales más básicos. Es por esto, que se concluyó que la mejor forma de detectar y evitar problemas potenciales con estos componentes era que los fabricantes continuaran con el uso de la misma formulación, proceso de fabricación y provisiones de amortiguadores y apoyos utilizados en MBJS que pasaron el ensayo OMV. Si los componentes se comportan bien, en las severas condiciones del ensayo OMV, se puede esperar que ellos se comporten bien en servicio.

5.2.7.1.2 Otros Materiales:

En el caso de los otros materiales que componen los MBJS, las especificaciones de la AASHTO y ASTM, pueden asegurar que cumplan con los requisitos mínimos de resistencia y durabilidad.

• El acero estructural deberá estar conforme con los requerimientos de AASHTO M270-

GR36, 50 or 50W, componentes de Aluminio no deberán ser usados.

• El acero inoxidable debe estar bajo los requerimientos de ASTM A240 Tipo 304

• Pernos, tuercas, arandelas, y otros elementos de trabajo deben estar conformes de AASHTO M164 Tipo 1 o 2 y deben estar galvanizados de acuerdo con AASHTO M232 o AASHTO M298 Class 50.

• Clavos soldados, deben estar conformes a los requerimientos de ASTM A 108.

• PTFE o Teflón debe ser 100% teflón virgen, malla de PTFE tejida, o PTFE abollado

conforme a los requerimientos de la sección 18.8 de las AASHTO LRFD Especificaciones para Construcción de Puentes.

• Adhesivo: La misma formulación y fabricación del adhesivo lubricante usado en el

ensayo SPO descrito anteriormente, debe ser usado para instalar el sello. Debe estar conforme a los requerimientos de ASTM D4070. Sin embargo, el adhesivo no debe ser

del tipo epóxico u otro adhesivo que sea tan resistente que resulte muy complicado el reemplazo del sello.

• Resortes de control: Debe ser provisto con la misma composición y formulación del

material, fabricante, procedimiento de fabricación, y configuración de resortes de control usado en el ensayo OMV.

6 DESEMPEÑO, MANTENCIÓN E INSPECCION: Este capítulo tiene por objetivo dar a conocer el comportamiento de los sistemas de juntas estudiados anteriormente, con tal propósito, se revisó información relacionada a la experiencia de distintos organismos relacionados con el cuidado y mantenimiento de puentes. La información recopilada de Chile y principalmente de países desarrollados, como EE.UU. y el Reino Unido, que ya llevan décadas probando y estudiando distintas soluciones. Este capítulo contiene la experiencia en el uso de estos sistemas y será de gran valor, por que permite conocer las fallas que se presentan con mayor frecuencia durante el tiempo de servicio de los sistemas de juntas. Además, se incluyen indicaciones generales para el mantenimiento, que es imprescindible si se desea lograr un funcionamiento óptimo y extender el tiempo de servicio de las juntas.

6.1 Desempeño: Existe mucha experiencia de sellos que han tenido un mal desempeño, resultando en el deterioro de una gran cantidad de puentes. Las principales causas de un pobre desempeño provienen en gran medida por un diseño deficiente:

1.- El diseño de la geometría de la junta era insuficiente para acomodar el movimiento. 2.- Condiciones de servicio que no fueron anticipadas, resultando en movimientos de junta

mayores a los previstos para el diseño original del sello. 3.- La elección equivocada del tipo de junta para las condiciones en que se debe desempeñar, a

menudo, por el mal argumento de la economía en el costo inicial. 4.- La mala ejecución durante la construcción de la junta y mala preparación para recibir o

instalar el sello.

6.1.1 Juntas Abiertas: Las fallas de estos sistemas se deben principalmente al drenaje, se llenan con escombros ocupando el espacio para el desagüe, haciendo que se rebalse y derrame agua en las estructuras de soporte del puente. También las fijaciones metálicas han resultado corroídas y en algunos casos han sido removidos; en la actualidad se usan membranas flexibles, que están hechas de materiales no corrosivos, como la fibra de vidrio y el neopreno. Las membranas funcionan en forma mas eficiente si se diseñan con una pendiente mínima de 1%, y así poder evacuar los escombros fuera del tablero, a demás tienen que ser accesibles para un fácil mantenimiento y deben evitar que el agua se filtre al final del canal. Es difícil lograr que estas características se cumplan, debido al limitado espacio en los puentes existentes.

6.1.1.1 Junta Armada o con guarda canto: (Esquema 3.1.1 fig. 6) Resulta difícil proteger el metal expuesto a la corrosión y lograr que el hormigón quede bien consolidado bajo el perfil. Con el paso del tiempo el ángulo se puede desencajar debido a soportes inadecuados o fatiga de los elementos de anclaje. El metal suelto puede convertirse en un peligro para el tráfico.

Comúnmente en juntas sin perfiles de acero los bordes de hormigón del tablero se fragmentan, este efecto se puede ver en la figuras 33 y 34, una vez que existe el daño, el deterioro continuará hasta que no se repare o se reconstruya el sector dañado.

Cuando los tableros son reparados las armaduras dañadas deben ser reemplazadas por un mortero elastomérico. La junta puede ser rediseñada para colocar un sello hermético.

6.1.1.2 Junta con placa deslizante: (Esquema 3.1.2 fig. 7)

Es común que con el paso del tiempo las placas se aflojen, creando ruidos molestos bajo el paso del tráfico, ocasionalmente éstas quedan completamente sueltas, convirtiéndose en un peligro para el transito vehicular. Las causas de estos problemas están a menudo relacionadas con el diseño y la construcción. Por ejemplo, la consolidación inadecuada del hormigón causa pérdida de soporte y mal anclaje de las placas. Escombros no compresibles se acumulan en la ranura al final de la placa, pasado el tiempo estos escombros tienden a levantar la parte no anclada de la placa deslizante haciéndola mas vulnerable a los impactos del tráfico. Los anclajes también se corren y están propensas a fatiga por el impacto del tráfico. Con el tiempo la superficie de rodado alrededor de las placas se deteriora y esto incrementa el impacto vehicular en la junta desencajando las placas.

Juntas con placas deslizantes han sido encontradas insatisfactorias en autopistas con una cantidad significativa de tráfico pesado. En la mayoría de los lugares este tipo de junta ha sido reemplazada por otro tipo de sistema. [7]

6.1.1.3 Junta dentada: (Esquema 3.1.3 fig. 8)

Las juntas dentadas tienden a tener menos problemas que muchas otras, algunas tienen problemas con de anclaje o presentan las puntas dentadas dobladas, y en algunas ocasiones dientes rotos, como resultado de esto aumenta el ruido, perturbando a los habitantes alrededor del puente y queda una mala superficie de rodado para el transito vehicular. Los efectos se muestran en la figura 35, el problema mas común es la fragmentación del pavimento alrededor de la junta, como se muestra en la figura 36, para que los elementos bajo el puente estén debidamente protegidos es necesario realizar un mantenimiento a la membrana de drenaje evitando que se deposite demasiados escombros.

Fig. 33: “Junta Abierta, sin armadura con el borde dañado” [7]

Fig. 34: Junta Abierta, falla de la armadura de la junta. [7]

Fig. 35: Daño en juntas dentada, dientes se han levantado. [7]

Fig. 36: Daño en pavimento alrededor de junta dentada. [7]

6.1.2 Juntas cerradas:

Durante las últimas décadas se ha experimentado con los actuales sistemas, los cuales han sido mejorados pero no han logrado obtener un desempeño ideal. Los cambios realizados a estos sistemas se han debido a los daños producidos por impactos de tráfico y desechos no compresibles que se introducen en aperturas de la junta.

Los materiales utilizados en los sellos han mejorado, anclajes son más resistentes y mejor diseñados, y se ha refinado la metodología de instalación.

6.1.2.1 Sellos moldeados in Situ:

6.1.2.1.1 Sellos Termo Endurecidos, Curado Químico: (Esquema 3.2.1.1 fig. 11) Los primeros materiales vertidos fueron productos de asfalto caliente o de alquitrán mineral los cuales no se desempeñaron satisfactoriamente. Los materiales poliméricos tenían los mismos problemas que los anteriores, incluyendo fallas de adhesión a los bordes de la junta y fallas de cohesión (ruptura interna del sello) y daños por escombros no compresibles. El daño en el borde de la junta también puede provocar la falla del sello.

Se ha tenido éxito al colocar un sello de transición o guardacantos de mortero epóxico para reforzar el borde del tablero y así lograr una zona donde el impacto vehicular sea absorbido por un material con menor rigidez, impidiendo que el borde de la cubierta sea dañado.

Hay ciertas ventajas en este tipo de sellos, a diferencia de muchos sellos premoldeados, su actuación generalmente no es afectada por paredes de juntas que no están perfectamente paralelas o perfectamente verticales, es también algo relativamente fácil de reparar.

Este sistema es de simple y rápido mantenimiento, ya que si una pequeña porción de sello falla, es fácil de remover, limpiar las paredes y rápidamente volver a llenar la junta. Esta actividad minimiza la interrupción del tráfico y los peligros de la zona de trabajo.

Fig. 37: Falla en sellos por escombros no compresibles. [7]

6.1.2.1.2 Sellos Asfálticos Modificados con Poliméricos: (Esquema 3.2.1.2 fig. 12)

La principal ventaja de este sistema es su fácil instalación y reparación, y sus costos son relativamente bajos. La desventaja de estos sistemas es que fueron desarrollados exclusivamente para juntas en puentes sin cunetas. Este sistema no provee un efectivo método de sello en juntas con pendientes, especialmente en tableros más largos y juntas esviadas donde el movimiento de la cubierta arruina el sistema, resultando una falla temprana de éste. [7] En este sistema se presentan los inconvenientes que tiene el uso de asfaltos, dado que este material visco elástico es fuertemente influenciado por los cambios de temperatura, por lo que cuando se encuentra en climas calurosos tiende a fluir y cuando se coloca en climas muy fríos se vuelve un material frágil y quebradizo, a demás no puede soportar cambios de temperatura muy grandes entre el día y la noche sin que se produzca daño. Por lo que se recomienda su uso en condiciones climáticas moderadas. Con el paso del tiempo, donde transitan vehículos muy pesados, se pueden producir surcos y laminado en el sector de la junta.

6.1.2.2 Sellos Preformados

6.1.2.2.1 Sellos en compresión: (Esquema 3.2.2.1 fig. 14) Se han presentado casos en que al poco tiempo de colocado estos se mueven y con el paso del tiempo pierden compresión. La experiencia en el uso de estos sistemas indica que funcionan en forma óptima en regiones donde existen temperaturas extremas moderadas, ya que para diferencias de temperaturas mayores el rango de movimiento de la junta aumenta [7]

En lugares calurosos los sellos se puede encoger debido a grandes movimientos de compresión, el aire dentro no se recupera cuando se vuelve a expandir la junta especialmente si no está apropiadamente ventilado. Con el paso del tiempo se han reportado casos en el sello pierde su capacidad de retener su compresión inicial debido a la perdida de elasticidad, en particular si los rangos de movimiento son grandes. [7]

A pesar de estos problemas, el sello en compresión es uno de los que mejor desempeño ha mostrado y es uno de los preferidos por su duración y bajo costo comparativo. [7,9]

6.1.2.2.2 Sellos en franja: (Esquema 3.2.2.2 fig. 16) Estas juntas se han desempeñado bien y bajo condiciones similares el sello en franja tiende a comportarse mejor que otros sellos, sin embargo, estos son difíciles de reemplazar y las secciones empalmadas se deben evitar.

El desgarro de la membrana ocurre normalmente cuando el sello se encuentra extendido y objetos no compresibles se introducen en las hendiduras, al momento que la junta se cierra estos materiales se acuñan provocando la rotura de la membrana con la consecuente perdida de impermeabilidad. La falla también puede provenir del tránsito al pasar por escombros acumulados en la junta. Ocasionalmente la membrana se desgarra en los bordes de mordazas, un ejemplo de esta situación se ve en la figura 38.

6.1.2.2.3 Sello de neopreno inflable (Jeene): (Esquema 3.2.2.3 fig. 17)

Las ventajas de esta junta son de rápida instalación, con inconvenientes menores a los usuarios incluso se puede permitir el paso del tráfico mientras la junta todavía esta inflada.

A diferencia del sello a compresión este sistema puede tolerar irregularidades menores de la abertura de la junta, como la falta de alineación vertical u horizontal de las caras de la junta. Las desventajas incluyen, la total dependencia del material epóxico adhesivo para lograr la estanqueidad, también este sistema fallará si es que se daña el borde de la junta después de haber colocado el perfil.

6.1.2.2.4 Sello Elastomérico Reforzado: (Esquema 3.2.2.4 fig. 18)

Estos requieren la total reposición si son dañados, por lo que el costo es un factor a considerar en la elección, el fracaso de los empalmes es otro problema. En países donde se usaron por décadas estos sistemas de juntas, se presentaron fallas con los pernos de anclaje, pero en la actualidad se están ocupando anclajes epóxicos. [7]

Fig. 38: Junta con sello de franja con membrana desgarrada en bordes de mordazas. [7] También las tapas que cubren las tuercas que sujetan estos sistemas pueden salirse, a causa del tráfico o falla del adhesivo. Los bordes de la unión se pueden fragmentar, haciendo al sello más vulnerable a las filtraciones e impacto del tráfico.

Otro problema es que el sello elastomérico debe ser colocado cuando la temperatura del puente es la adecuada. Si la temperatura ambiente es demasiado fría al momento de la instalación, el sello se doblará y será dañado por el tráfico, cuando la temperatura sea muy alta. En el caso contrario, en que la temperatura ambiente es muy calida al momento de la instalación, el exceso de estiramiento durante climas muy fríos, dañara el material de sello o los anclajes.

6.1.2.2.5 Sistemas Modulares: (Esquema 3.2.2.5 fig. 19)

Los sistemas modulares han presentado problemas, incluyendo fisuras por fatiga en soldaduras, daño al material de sello y daño a los soportes. Un ejemplo en la figura 39. Los costos de este sistema y su mantenimiento son elevados, por lo que solo se justifica su uso cuando se necesita abarcar movimientos muy largos.

La dificultad es que el sistema de junta debe ser capaz de permanecer hermético y debe ser soportado por un sistema móvil de marcos. Lo más complicado es resolver el tema de la durabilidad. El material sellador debe ser resistente y el sistema de marcos debe ser diseñado para resistir tensiones de fatiga muy prolongadas.

Fig. 39: Junta Modular o de riel, dañada. [7]

6.2 Experiencia en el extranjero: El desempeño de los sistemas de juntas ha sido investigado y documentado en sendos reportes (NCHRP Synthesis 319, Report No. UT-05.04), los cuales contienen la impresión de las distintas agencias estatales del transporte de los E.E.U.U. sobre el comportamiento de los diferentes sellos nombrados en este trabajo.

En la encuesta realizada por la NCHRP, casi la mitad de las agencias no especificaban juntas abiertas, el resto especifica juntas dentadas con canal de drenaje. Con respecto a las juntas cerradas, las agencias indicaron que todos los sellos tienen problemas, pero los menos problemáticos son los sellos en franja y luego le siguen los sellos en compresión. Los sistemas más evitados por las agencias encuestadas, fueron en primer lugar la junta abierta con placa deslizante seguidas por la junta con sello elastomérico reforzado.

6.3 Mantenimiento:

La falla de una junta de expansión puede crear un peligro serio para el tráfico, es por eso que se recomienda que las juntas sean regularmente inspeccionadas para asegurar que continúan funcionando de acuerdo con todos los requisitos de las normativas que se especifican en este trabajo. Usualmente el sistema utilizado en las juntas de expansión no tendrá el mismo tiempo de servicio como el puente mismo. Ciertamente muchos de los materiales usados en algunos tipos de sellados tienen una vidas mucho más cortas y tales materiales, como sellos en compresión divididos o sellos moldeados despegados, necesitarán un reemplazo, los sellos asfálticos pueden necesitar una nivelación y los sellos elastoméricos pueden necesitar al reemplazo parcial o total. Estas operaciones usualmente pueden ser efectuadas rápidamente durante los períodos de temporada baja de flujo de tráfico. Es importante también que fallas como el bloqueo del drenaje o aberturas obstruidas por material arrastrado con el agua, sean detectadas con anterioridad, ya que los cloruros contenidos en el agua que no es drenada pueden tener efectos muy dañinos en el hormigón armado o los elementos de acero en la estructura del puente. Además las aberturas obstruidas pueden transmitir gran cantidad de fuerza a sistema de unión de la junta. El reemplazo de juntas de expansión es relativamente caro por los costos del manejo del tráfico vehicular y los gastos indirectos en retraso de tiempos de viaje que son adicionales al costo de solamente reemplazar la junta. Es por eso que cuando se planifican operaciones de mantención del recubrimiento en la autovía, cualquier junta del puente que este afectada debería ser mirada de cerca, ya que si es necesario pueden ser reemplazadas al mismo tiempo. En algunos casos puede ser preferible reemplazar junturas antes de que hayan llegado al fin de sus vidas útiles si el trabajo puede ser combinado con otras actividades de mantenimiento.

6.3.1 Mantenimiento recomendado para cada sistema de junta:

Recomendaciones hechas en el reporte de la Utah Department of Transportation (UDOT) Report No. UT-05.04, “Performace of Concrete Bridge Deck Joints”

6.3.1.1 Juntas Abiertas:

Las membranas de drenaje deben ser limpiados al menos una vez al año y más seguido si es necesario. La junta debe estar libre de corrosión y placas o dientes dañados deben ser reemplazados.

6.3.1.2 Juntas Cerradas:

6.3.1.2.1 Sellos Moldeados in situ: Sellos Termoestables, Curado Químico: Para obtener el mayor desempeño, los sellos deben ser reparados en otoño o primavera, para reducir la tensión impuesta en el sello. Sello Asfáltico Modificado con Polímeros: Si la superficie adyacente a una junta fallada se deteriora, ambos deben ser reemplazados para mejorar la calidad adecuada y durabilidad del sistema.

6.3.1.2.2 Sellos Preformados:

Sellos en Compresión: La armadura de los sellos debería ser repintada periódicamente para evitar la corrosión. Sellos en Franja: Cuando se realice la mantención del tablero el recubrimiento de la losa no debe ser colocado sobre el sistema de anclaje de los sellos.

Sellos Elastoméricos Reforzados:

Los pernos deben ser ajustados después de al menos 7 días luego de la instalación inicial para compensar el creep del elastómero y todos los pernos deben ser reapretados anualmente. Todas las secciones deben ser reemplazadas y todos los tapones para los pernos deben ser reemplazados.

7 SELECCIÓN Y BUENA PRÁCTICA

En este capítulo se entrega una serie de recomendaciones para maximizar la vida de servicio de los sellos en juntas y una guía para seleccionar el sello adecuado dependiendo del desempeño del sello frente a distintas variables revisadas en este trabajo.

7.1 Recomendaciones:

7.1.1 Implementar un programa preventivo de mantenimiento: La mantención de un puente es reactiva, esto es, solo se reacciona cuando falla alguna parte de la estructura. Sin embargo el mantenimiento es para preservar, esto requiere una estrategia preventiva. Desafortunadamente los recursos destinados al mantenimiento del puente son a menudo inadecuados y solo sirven para responder nada más que a problemas inmediatos. Dicha estrategia es justificada dado que lo fondos son limitados. Un apropiado nivel de mantenimiento extiende el ciclo de vida del puente y reduce costo total del ciclo de vida. Un programa preventivo involucra utilizar materiales y diseños que permiten realizar el mantenimiento con mayor facilidad. Actividades preventivas de mantenimiento incluyen lavar el tablero, remover escombros y arreglar pequeños problemas antes que resulte en la falla del sistema. Algunos procedimientos de mantención, como el lavado de tableros, son realizados en intervalos regulares. Otros, como la reparación de anclajes o pernos sueltos, deben ser identificados por un minucioso programa de inspección y una prioridad alta a la reparación. El objetivo del mantenimiento preventivo debe ser la de preservar la condición de sello hermético. El sello debe ser reparado si alguna parte se está filtrando el agua. Escombros y grava debe ser removido desde la superficie para prevenir el daño del sello. El mantenimiento preventivo incluye el mejoramiento y limpieza de la carretera que se encuentra próxima al puente, evitando con esto que los escombros lleguen a la cubierta.

7.1.2 Usar blockout en la junta de cubierta Un blockout es una sección rectangular del tablero del puente, adyacente a la junta, que es removido o moldeado. Es usado para facilitar el tamaño apropiado de la abertura y el correcto posicionamiento y anclaje del ensamblaje del sello. Esto también permite el uso de materiales más durables en el término de la junta. Los blockout son requeridos frecuentemente para reemplazar un sistema de junta existe. Es mucho más fácil de controlar el ancho y forma de la junta cuando la sección rectangular es hecho después de realizado el tablero. Esto permite que el sistema de junta sea colocada después que la deflexión por la carga muerta y la retracción del hormigón hayan ocurrido. Es también más fácil instalar el sistema de junta a la altura apropiada para lograr una superficie de rodado óptima y minimizar el daño del tráfico.

El material con que se rellena la sección es importante, muchos sistemas de juntas fallan por el daño que ocurre al material que rodea la junta. Los blockout permiten el uso de materiales más caros y más durables para soportar el sello y además provee bordes más resistentes contra el alto impacto del tráfico pesado. El material que cumple con las características de resistencia y durabilidad es el hormigón polimérico.

7.1.3 Proteger en contra movimientos inusuales

Los sellos de juntas ocasionalmente fallan debido a movimientos de la estructura inesperados. Presión del terraplén, asentamiento, socavado, o un acontecimiento sísmico pueden ser la causa. Dichos movimientos pueden ser la causa de que la junta se abra o cierre más allá de las suposiciones del diseño. Los sellos se pueden desgarrarse o aplastar o los anclajes pueden fallar. Para corregir estos problemas, la estructura debe estar primero estabilizada y las placas de apoyo reposicionadas, luego la apertura de la junta puede ser restaurada, ya sea cortándola o agregando hormigón. Ocasionalmente, si el ancho de la apertura ha aumentado, un sello más ancho puede ser usado para evitar restaurar la abertura de la junta.

7.1.4 Construir el tamaño de la abertura adecuado El tamaño del sello debe ser determinado basándose en el rango de movimiento. El tamaño de la abertura es diseñado para mantener al sello impermeable todo el tiempo sin dañarse por desgarramiento o aplastamiento. Para una vida de servicio óptima del sello de una junta, la apertura debe ser construida apropiadamente. Los lados de la abertura deben ser verticales y la apertura debe estar derecha, con bordes paralelos, para el total del ancho de la junta. Esto es particularmente importante cuando se usan sellos de compresión.

7.2 Selección:

En esta sección se quiere mostrar los tipos de sellos que son apropiados para diferentes condiciones de servicio, diseño e instalación. Para la selección del sello hay que tener presente que el principal factor que influye en el funcionamiento del sistema de sellado, es movimiento esperado en la junta, tema que fue estudiado en detalle en capitulo dos. Pero ciertamente existen otras variables que influyen directa o indirectamente en el desempeño del sello, como la frecuencia y tipo de tráfico, materiales, diseño y ejecución del sello y temperatura de instalación, etc.

Esto restringe los tipos de sellos ha ciertos aspectos que el diseñador busca, es claro que todos los sellos tienen ventajas y desventajas, dependiendo de la variable con la que se esta comparando. Es por esto, que el aumento o disminución en el rango de una variable, está directamente relacionado con el desempeño que el sello tendrá en servicio, vale decir, si el sello se encuentra en un rango donde ya ha llegando al límite de su servicialidad, entonces dicho rango tiene un gran efecto en el desempeño del sello en la junta. En la tabla 9 se muestra la comparación de los sellos incluidos en esta investigación, con los factores nombrados anteriormente y se indica la influencia que estos tienen en el buen desempeño de cada sistema.

0-15

15-5

050

-100

100+

<0.0

50.

05-0

.1>0

.1<2

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Prep

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y ej

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ión

8 DISCUSIÓN, CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 Discusión:

8.1.1 Factores que influyen en el movimiento de juntas de expansión: El efecto térmico sobre los materiales es el factor de mayor relevancia entre todos los que afectan el movimiento en servicio de las juntas, debido a su mayor magnitud y a su naturaleza cíclica. Para evaluar la magnitud de los movimientos de las juntas, se deben modelar las estructuras y realizar complejos análisis de elementos finitos mediante software avanzados que consideren todos los componentes de deformación involucrados, sin embargo, en el pasado se han realizado estudios y mediciones, sobre la respuesta térmica dependiendo de la geometría y composición de la superestructura, y gracias a estos trabajos se pueden lograr estimaciones del movimiento esperado. [10] Las placas de apoyo son de gran importancia debido a que afectan el movimiento de las juntas, a través de la fricción y controlan los desplazamientos máximos en los sismos, por medio de la rigidez al corte del sistema de placas deslizantes o de los apoyos elastoméricos. Con respecto al análisis sísmico hay que tomar en cuenta que cuando se calcula el desplazamiento máximo, el factor R, que es el factor de modificación de la respuesta, se le asigna el valor 1 para conexiones de columna, cepa o pilote a viga cabezal o superestructura, y 0.8 para las conexiones de juntas de expansión dentro de la superestructura, esto quiere decir que esos componentes son diseñados para fuerzas elásticas, y es adoptado de esta manera para asegurar el comportamiento inelástico en las regiones deseadas y para mantener la integridad de toda la estructura del puente en esas conexiones importantes.[22, 4]

8.1.2 Aplicación Puente Aconcagua:

El coeficiente de expansión térmica utilizado para calcular el rango movimiento por temperatura es una buena aproximación tomando en cuenta que el puente esta compuesto por concreto y acero, considerando el promedio de los coeficientes de expansión térmica para ambos materiales se consigue un valor muy cercano al utilizado en este caso. Sin embargo el coeficiente fue determinado por medio de mediciones de puentes en el Reino Unido, que pueden tener una geometría y apoyos diferentes al puente Aconcagua. El rango total de movimiento que deben acomodar las juntas es de 170 mm, incluyendo movimientos de servicio y solicitaciones sísmicas. El diseño original, claramente no contemplaba eventos sísmicos, ya que la apertura de las juntas solo tiene 30 mm, sin embargo esta distancia es suficiente para cubrir la totalidad de los movimientos de servicio, dando la posibilidad de permitir acomodar movimientos que no fueron considerados en este análisis como cargas vehiculares.

Esto implica que en el análisis dinámico se consideró el contacto entre tableros contiguos del puente durante un sismo de gran intensidad, y como se mencionó en 2.7.1 la acción sísmica no provoca grandes daños a la superestructura y si es que los produjera su reparación sería simple, ya que solo se necesita reparar los bordes de las vigas terminales dañadas (Plano de detalle). En este puente las placas de apoyo no fueron pensadas como aisladores sísmicos, a pesar de que el material utilizado es una placa elastomérica tipo II (figura 3), cumple la función de disminuir y amortiguar los esfuerzos transmitidos a la subestructura. (2.4.2)

8.1.3 Tipos, desempeño y selección de sellos: A pesar de que los tipos de juntas mencionados en el capítulo 3, representan la mayor parte de los sistemas de sellos existentes en la actualidad, en la investigación se encontraron otros dispositivos que corresponden a sistemas mixtos que combinaban las cualidades de los distintos sistemas mencionados. Por ejemplo, una junta mixta tipo “ACEROTON”, que incluye una junta de placa deslizante con un sello de compresión como se aprecia en la figura 40. Como en Chile, los sistemas de sellado en juntas están siendo incorporados recientemente no existe experiencia sobre su desempeño, dado que toma varios años después de la instalación inicial para evaluar el desempeño de un sello en particular. Una excepción son las juntas abiertas las cuales han sido usadas por décadas en el país, como es el caso del puente Aconcagua 1971. Con resultados que ya conocemos. (Capítulo 1.1) Respecto a la selección de los sellos; resulta claro que todos tienen sus ventajas y desventajas, pero el diseñador o ingeniero de puentes buscará sistemas de sellado, en los cuales la influencia de los factores establecidos en la tabla 9, tengan el menor efecto en el buen desempeño de los mismos. También hay que notar que algunos de los factores de comparación, como el diseño de la junta o la preparación del sitio y ejecución, se refieren al cuidado que se debe tener con tales parámetros para lograr un buen desempeño.

Fig. 40: Junta Mixta tipo ACEROTON

8.1.4 Normas y Especificaciones de Materiales: Las normas para el diseño de juntas y sellos existentes en países desarrollados como Estados Unidos y el Reino Unido, cuentan con la preferencia de la mayoría de los ingenieros y diseñadores nacionales, debido a que estos países poseen una mayor cantidad de recursos destinados a la investigación y el desarrollo de nuevas tecnologías para la construcción y el diseño de estructuras viales, a esto se suma la experiencia ganada por la aplicación de los avances alcanzados. En consecuencia esta memoria se ha basado en el conocimiento de los diferentes trabajos y avances desarrollados en esos países. Otro aspecto que es importante destacar, se refiere a la búsqueda de materiales con un mejor desempeño, teniendo en cuenta que sus propiedades deben ser correctamente evaluadas para asegurar un comportamiento adecuado de las juntas. Ciertamente algunos ensayos de la norma ASTM se adecuan perfectamente a las condiciones y exigencias a las que los materiales se verán sometidos en servicio, sin embargo si se instalan sellos que cumplen con los requisitos de la norma en lugares donde las condiciones climáticas no son tan extremas como las simuladas en los ensayos, el sello estaría siendo sobredimensionado y las capacidades del material no estarían siendo ocupados en forma óptima, y sellos que no aprobaron las especificaciones y ensayos de la norma se hubieran desempeñado correctamente en condiciones ambientales moderadas.

8.2 Conclusiones: Esta memoria contiene una revisión de antecedentes sobre diseño y especificaciones de materiales y sistemas constructivos para las juntas de puentes, comúnmente usadas tanto en Chile como en el extranjero. Orientada hacia diseñadores e ingenieros, contratistas y fabricantes de sistemas de juntas a nivel nacional, a quienes se entrega información actualizada sobre el diseño, instalación, mantención, recomendaciones para la selección de sistemas de juntas, incluyendo también un ejemplo el cual permite aplicar los conocimientos adquiridos en el presente trabajo en la verificación del diseño de la junta del puente.

El costo de proveer juntas bien selladas, usando la solución adecuada y controlando cuidadosamente la instalación representa un costo poco significativo si se tiene en cuenta que la mayor parte de los costos de mantención están asociados a esta partida. Los sistemas y materiales sellos actualmente disponibles y los conocimientos y criterios para el diseño de juntas permite asegurar un mejor desempeño y no existe justificación para realizar una práctica deficiente de sellado cuando la integridad y servicialidad de la estructura está en juego.

8.2.1 Selección y Desempeño: 1.- Para movimientos menores a 15 mm utilizar ya sea sellos moldeados in situ o Cubre Junta de

acero dentada. 2.- Para movimientos menores a 50 mm, los sellos de mejor desempeño según la literatura

analizada se encuentran en el siguiente orden: Sellos preformados en compresión, Sello Asfáltico Modificados con Polímeros, Sellos Termoestables con curado químico y Junta dentada.

3.- Para movimientos menores a 100 mm, los sellos de mejor desempeño según la literatura

analizada se encuentran en el siguiente orden: Sellos en Franja, Sellos Preformados Jeene, Juntas Modulares, Sellos Elastoméricos Reforzados y Junta dentada.

4.- Para movimientos mayores a 100 mm, los sellos de mejor desempeño según la literatura

analizada se encuentran en el siguiente orden: Juntas Modulares, Sellos Elastoméricos Reforzados y Junta dentada.

5.- En general, si se utiliza un sistema de junta abierto, se le debe proveer con un sistema de

drenaje para evitar el ingreso de escombros y agua.

8.2.2 Aplicación Puente Aconcagua:

El diseño original de las juntas abiertas con placa deslizante del puente Aconcagua, no consideró la protección de las juntas frente a la acción del agua y escombros provenientes del camino, lo cual seguramente afecto las estructuras en la zona de influencia de las juntas, acelerando el deterioro del hormigón y la corrosión del acero. Para la solucionar este problema se debió sellar la abertura de la junta y así lograr la estanquidad del tablero; se encontraron dos alternativas dependiendo de la respuesta sísmica que se espera del puente: 1.- Dejar el diseño de la misma forma y ocupar un sello vertido en caliente (Asfalto Polimérico) o

en frío (Sellos de curado químico), para acomodar movimientos de servicio de 16 mm con un ancho entre 500 y 750 mm; también se podría optar por sellos preformados en compresión cuyo desempeño ha sido satisfactorio. También, se puede colocar una junta dentada con un canal de drenaje bajo la apertura, con una pendiente no menor a 1/12.

2.- Agrandar la abertura de la junta y permitir que las placas de apoyo trabajen como aisladores

sísmicos Tipo II (Ver plano de detalle), colocado un sistema de expansión que pueda acomodar movimientos de 170 mm, como juntas dentadas con canal de drenaje, sello elastomérico reforzado o una junta modular.

La solución más económica es la primera, dado que se ocupan menos materiales y la instalación es más rápida, sin embargo al momento de un sismo de gran intensidad, las juntas seguramente resultarán dañadas, por lo que deben ser reselladas o cambiadas dependiendo del daño producido. Por otra parte, la segunda solución es más costosa pero los daños al momento del sismo serán mínimos o nulos en comparación con la primera solución.

8.3 Recomendaciones:

Más allá de las recomendaciones técnicas mencionadas para el diseño, selección y la buena práctica constructiva de los distintos sistemas de juntas, existen ciertos aspectos en los cuales todavía se puede lograr un avance importante, por ejemplo:

1.- Comprender a cabalidad los movimientos y solicitaciones a que están sometidas las juntas, a

través de la investigación y estudios en terreno de diferentes topologías de tableros. 2.- Estudiar el comportamiento de los distintos materiales de sello para condiciones en puedan

desempeñarse mejor para sellado de juntas y tratar de optimizar el uso de los mismos, realizando especificaciones que puedan agrupar los materiales apropiados para distintos rangos de temperatura, es decir, modificar las condiciones de ensayos dependiendo de la región donde se ocupe el material.

3.- Estudiar especificaciones y calificar la idoneidad técnica para sistemas de sellado que no

cuentan con ningún tipo de certificación, tales como los Sellos Elastoméricos Reforzados, Junta Jeene y Juntas Modulares.

4.-Métodos y procedimientos de instalación que garanticen el buen desempeño de los sellos.

Junto con estos avances, en corto plazo a nivel nacional se puede realizar una encuesta nacional para ver el estado de la práctica en sistemas de juntas, con tal de hacer que los diseñadores e ingenieros estén más concientes de la importancia en el diseño de juntas y la selección de un sello apropiado. También colocar instrucciones claras en los planos, en las especificaciones que eviten el uso de soluciones no adecuadas. Muchos de los problemas que presenta la infraestructura de los puentes actuales continuarán ocurriendo a menos que se compartan y difundan los avances tecnológicos, recomendaciones y técnicas avanzadas disponibles para el diseño y sellado de juntas. Este trabajo de título podría ser complementado y profundizado con estudios sobre modelos para predecir los movimientos en las juntas, así como también el diseño de ensayos que se ajusten a las condiciones climáticas del país y de esta manera optimizar el uso de los materiales. Además, sería factible realizar un estudio detallado que incluya una comparación económica de las distintos productos y sistemas existentes en el mercado para cada tipo de sello, considerando un estudio de costo-beneficios para demostrar que la realización de un mantenimiento preventivo aumenta la vida en servicio del puente.

ANEXO A: CÁLCULO DEL MOVIMIENTO EN LAS JUNTAS 1. RETRACCIÓN:

Para el caso del hormigón sin agregados propensos a la retracción, la deformación unitaria debido a la retracción shε , en el tiempo t, debe ser calculada de la siguiente manera: [1]

31051.035

−×⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅⋅−=

ttkk hsshε ; (1)

Donde; t = Tiempo de secado, días;

sk = Factor del tamaño especificado en la ecuación 3;

hk = Factor de la humedad especificado en la ecuación 4; Si el concreto de húmedo es expuesto a secado después de que hayan transcurrido 5 días de curado, la retracción determinada con la ecuación (1) debe ser incrementada en un 20%. Para el curado del concreto al vapor sin agregados propensos a la retracción, la deformación unitaria debido a la retracción shε , en el tiempo t, debe ser calculada de la siguiente manera:

31056.055

−×⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅⋅−=

ttkk hsshε ; (2)

Donde;

( )( )

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅= ⋅ 923

/7.310644526 /0142.0

SVt

tte

tk SVs (3)

Donde; t = tiempo de secado, días; V/S = Relación volumen y superficie de secado del hormigón; Donde el factor de humedad hk es: Para H < 80%; Para H ≥ 80%;

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

=70

140 Hkh ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅=

701003 Hkh (4)

2. CREEP: El coeficiente de creep puede ser estimado como:

( )( )

118.06.0

6.0

1012058.15.3 −⋅

−+

−⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅⋅⋅= i

i

ifct t

ttttHkkC (5)

Donde;

`4262

cf f

k+

= , factor del esfuerzo del concreto; (6)

( )

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅+⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

+⋅=

⋅−

⋅ 587.277.18.145

26

/0213.0

/0142.0

SV

SVce

tt

tetk , (7)

ck = efecto de la relación V/S (Volumen/Superficie);

t = Maduración del concreto, días; H = Humedad Relativa %; it = Tiempo desde que la carga fue inicialmente aplicada, días; El coeficiente de creep es aplicado a la deformación unitaria instantánea debido a la aplicación de la carga.

itcr C εε ⋅= (8) Donde;

iε = Deformación unitaria instantánea a la aplicación de la carga; 3. CÁLCULO DE LAS DEFORMACIONES SÍSMICAS: Como los apoyos elastoméricos que se presentan en la figura 4, tienen propiedades de aislamiento sísmico, el cálculo de la deformación que experimentarán debido a cargas las laterales provocadas por movimientos sísmicos, tiene que estar de acuerdo con la guía de aislamiento sísmico de la AASHTO. Método de la carga uniforme: El procedimiento básico es determinar la rigidez estructural equivalente total, por medio del cálculo de la carga horizontal uniforme que producirá un máximo de 25 mm de desplazamiento en la estructura. Esta rigidez es utilizada en conjunto con la masa total para predecir el período fundamental. Este a su vez, es utilizado con el espectro de respuesta de modo único para determinar una fuerza sísmica equivalente y así calcular el desplazamiento máximo. [4,15]

Procedimiento: Después de determinar el largo de soporte mínimo, se debe determinar las dimensiones de las placas de apoyo, que tienen que estar conformes con los requerimientos de las cargas estáticas, resguardando que las tensiones máximas de compresión no sean superadas por las cargas de peso propio y sobrecarga. Los datos que se necesitan para el análisis son el módulo de corte, G, y el amortiguamiento de la placa, β. [15, 20] Se debe calcular la rigidez total del conjunto de aisladores:

∑ ⋅=

N

reff H

GAk1

, en ton/m, (9)

Donde; G = Módulo de corte tangente, (ton/m²) A = Área de la placa. (m²)

rH = Altura total de la goma. (m) Con este dato se pueda calcular el período del sistema con la siguiente fórmula:

gkWT

eff ⋅⋅⋅= π2 , en segundos, (10)

Donde; W = Es el peso propio total de la superestructura; g = Fuerza de gravedad; Luego con la fórmula 15, se puede calcular el desplazamiento máximo;

RBTSA⋅⋅⋅⋅

=Δ4

max , en m, (11)

Donde; A = Aceleración básica del suelo; S = Coeficiente de Importancia; T = Período aislado de la superestructura; B = Amortiguamiento de la placa.

ANEXO B: DETERMINACIÓN DEL RANGO TOTAL DE MOVIMIENTO EN UN PUENTE REAL

Para tener una mejor idea de los movimientos que ocurren en las juntas y lograr dimensionar el efecto que tienen los distintos factores mencionados en los puntos anteriores, es necesario aplicar las ecuaciones de la teoría a un caso real. Con este objetivo, se tomó como ejemplo el puente Aconcagua ubicado en la Quinta Región de Valparaíso en Calera, en el camino internacional Valparaíso-Mendoza, construido en la década de los 70. Los planos donde se detalla el puente se encuentran adjuntos a este trabajo, y fueron facilitados por la sección de Investigación y Ensaye de Estructura (IEE) del IDIEM. También se desea sugerir una o más soluciones de sistemas de juntas, dependiendo de los resultados que se obtendrán a continuación. Características Generales del Puente: El puente del Aconcagua atraviesa el río del mismo nombre, es un puente de tramos múltiples y esta compuesto por 7 vanos de 35.5 m cada uno, con una longitud total de 248.5 metros. La superestructura de cada sección del puente está compuesta por una losa de hormigón de espesor variable, se apoya sobre dos vigas doble T metálicas de 170 cm de altura. La subestructura consta de 7 cepas con dos columnas circulares cada una, con una zapata de 8 m de largo, 3.5 m de ancho y 2 m de profundidad apoyada sobre 4 pilotes. El sistema de junta con que fue diseñado este puente, es de junta abierta con placa deslizante con una apertura de 3 cm.

1. Movimientos Térmicos: Para el cálculo de los movimientos debidos a la temperatura, necesitamos el coeficiente de expansión térmica, la longitud involucrada en el movimiento y el rango de temperaturas extremas anuales de la región. Datos; 1.- El largo que afecta al movimiento de la junta son L = 35.5 m, 2.- El coeficiente de expansión térmica lo obtenemos de la tabla 1, para puentes con tablero de

hormigón sobre vigas I de acero, tK = 0.0105 Cmmm /º/ , 3.- Las temperaturas extremas de la región de La Calera fueron facilitadas por la Dirección

Meteorológica de Chile, y fueron escogidas entre los años 1993 y 2001 de la estación meteorológica de La Cruz, que es la más cercana al puente Aconcagua;

Tmáx = 38.2 ºC y Tmin = -2.4 ºC lo que implica un rango de TΔ = 40.6 ºC,

Ahora utilizando la ecuación (2.1) se obtiene el siguiente rango de movimientos tKLTL ⋅⋅Δ=Δ = 15.1 mm.

2. Movimientos Irreversibles: Supuestos: El cálculo de los movimientos que se realizará al puente Aconcagua será hecho, para efectos de Retracción y Creep, para un tiempo de 18 meses después del término de la construcción de la totalidad de las estructuras del puente. (Equivalente a 548 días) 2.1 Retracción:

Para el cálculo de la retracción se supondrá que la losa se comporta como un material lineal elástico y no se ve afectada por las conexiones con las vigas de acero y que la deformación ocurre en forma simétrica en el eje longitudinal del puente. [21] Primero hay que calcular las constantes que involucran la superficie de curado y la humedad relativa del ambiente al momento del curado, Factor de Tamaño Ks: En la tabla 1 se muestran los valores para conseguir la relación Volumen / Superficie, datos obtenidos de la cubicación en la sección B.4 de este anexo:

Tabla 1: Relación V/S

Volumen 1.03039E+11 mm3 Superficie 397600000 mm2

V/S 259.15 mm

Factor de Humedad Kh: Suponiendo que la humedad promedio en el puente es 60% y ocupando la ecuación (A.4) se obtiene: Kh = 1.14 Con el valor de la relación V/S, el factor de humedad y ocupando la ecuación (A.1), se puede graficar la retracción del hormigón en el tiempo:

Deformación Unitaria por Retracción

8.10E-08

1.01E-05

2.01E-05

3.01E-05

4.01E-05

5.01E-05

6.01E-05

0 5000 10000 15000

Días

εsh

Fig. 1: “Deformación Unitaria por Retracción”

Para el caso de 18 meses, la deformación unitaria por retracción del hormigón es:

shε = 2.344 x 510− ; Multiplicando por el largo del tablero (35.5 m) obtenemos el desplazamiento por retracción: shΔ =0.832 mm 2.2 Creep: Las deformaciones diferidas por la aplicación de cargas permanentes se manifiestan en un aumento de la curvatura o flecha inicial producida al momento de tomar las solicitaciones. La flecha, en el caso de los puentes, es la deformación vertical producida en el centro del tablero y la curvatura se refiere al giro de la sección transversal del puente. Al ir aumentado la deflexión por Creep, también aumenta el giro en los apoyos haciendo que las juntas se separen. Como el tablero del puente Aconcagua esta compuesto por una losa de hormigón y vigas metálicas, el efecto del Creep se ve restringido, ya que la totalidad de las cargas se encuentran soportadas por las estructuras metálicas, y la losa sólo toma las cargas en la dirección transversal del puente, es decir, actúa como una losa unidireccional. Así, el efecto del Creep se presentara sólo en la dirección transversal, donde se hace el traspaso de las cargas a las vigas metálicas y no en la dirección longitudinal de la losa, por lo que no tendrá mayor influencia en la rotación y consecuente movimiento en las juntas. [21]

3. Solicitación Sísmica: Supuestos: Datos como el Modulo de Corte (G) y la amortiguación (B) del apoyo elastomérico, se supondrán conocidos, los valores fueron obtenidos de placas de apoyo similares. [20] Para calcular el efecto de las solicitaciones sísmicas, se debe primero calcular la rigidez total de los 4 apoyos elastoméricos que soportan el tablero, para poder obtener el período del sistema. Datos; (La geometría de la placa de apoyo se encuentra en el plano de detalle)

1.- G = 12 Kg/cm², 2.- A = 1600 cm², 3.- rH = 2.8 cm

Ahora ocupando la ecuación (A.9) obtenemos la rigidez del sistema: effk = 2742.9 ton/m; Luego se calcula el período con el peso del tablero W, obtenido de la cubicación del tablero (el detalle de la cubicación se encuentra en la sección B) y la ecuación (A.10) obtenemos: T = 0.68 seg. Ahora con el período calculado anteriormente, la ecuación (A.11) y los siguientes datos se puede obtener el desplazamiento máximo: 1.- Como La Calera se ubica en la zona sísmica III, la aceleración básica del suelo, A = 0.4 g;

[13] 2.- Coeficiente de importancia, S = 1.0 [20] 3.- Amortiguamiento de la placa, B = 1.1 y [20] 4.- Factor de modificación de la respuesta R = 0.8;

maxΔ = 0.077 m,

Como el desplazamiento calculado es de un solo tablero, también se tiene que sumar el desplazamiento que tendrá el tablero contiguo, por lo que la junta debe acomodar un movimiento total de 0.154 mm.

4. Cubicación del Tablero Puente Aconcagua:

Losa cm^2 Peso Esp. Ton/m3 H.A. 24745 2.5 6.19

Pasarela 4280 2.5 1.07 Recubrimiento 4000 2.4 0.96

suma = 8.22 ton/m Total (35.5 m) = 291.68 ton

Vigas Terminal 2510500 2.5 6.27625 Total = 297.95 ton

Peso específico Acero = 7.850 ton/m3

2 x Vigas Metalicas mm3 Platabanda Superior 85152000 Alma 602888000 1ª Platabanda Inf 226880000 2ª Platabanda Inf 207584000 3ª Platabanda Inf 52000000 Atiezadores de Rigidez 277787.5 Atiezadores de Carga 17927600 m3 TOTAL = 1192709388 1.193 Peso por viga = 9.36 ton 2x Barandas Met. tipo = 2.08 m mm2 mm3 Cañeria 2'' 2877.7 5985.6 Barras f16 1559040 Barras f63 1354500 Total tipo = 2919525.6 m3 Total (35.5m) = 49631935.43 0.050 Peso por Baranda = 0.39 ton

3 x Arriostramientos mm3 Perfil L Diagonales 9854464 Perfil 2L Sup 15046784 Perfil 2L Inf 15046784 Planchas a 211200 b 631040 c 966880 m3 Total c/u = 41757152 0.042 Peso x Arriostra = 0.33 ton

Peso Total del Tablero ton

Losa = 297.95 2 x Vigas Metálicas = 18.73 3 x Arriostramientos = 0.98 2 x Barandas Metálicas = 0.78 Total = 318.44

5. Otras Variables: Como no existe ángulo de esviaje en el tablero del puente, no tiene sentido evaluar la ecuación (2.5), sin embargo hay que notar la simpleza de su aplicación. Variables como efecto de las placas de apoyo y cargas vivas de tráfico mencionados en este capítulo, tienen como objetivo dar cuenta de su dimensión e influencia en el movimiento de las juntas. En el caso del puente Aconcagua requiere un cálculo más detallado y mediciones en terreno, que están fuera del alcance de este trabajo de título.

6. Movimientos Totales: Los movimientos que un sistema de junta debe acomodar son los movimientos de servicio (Temperatura y Retracción) y movimientos sísmicos, sumados se obtiene el rango total de movimiento:

Tabla 2: Rango de Movimiento Total (mm) Movimientos por Temperatura 15.1 Movimiento por Retracción 0.83 Movimientos Sísmicos 154 Rango de Movimiento Total 170

ANEXO C: GLOSARIO Juntas de Expansión: Se definen como juntas de tablero, los dispositivos que enlazan los bordes de dos tableros contiguos, o de un tablero y un estribo de forma que permitan los movimientos por cambios de temperatura, deformaciones reológícas en caso de hormigón y deformaciones de la estructura, al tiempo que presentan una superficie lo más continua posible a la rodadura. Superestructura: Es la parte superior de un puente y está compuesta por la losa que constituye el tablero sobre el cual circula el transito y las vigas principales que se diseñan para resistir trabajo a flexión. Subestructura: Es la parte inferior de un puente y está compuesta por las apoyos, cepas, columnas, estribos y fundaciones los cuales cumplen la función de transmitir las cargas de la superestructura al suelo. Esviaje: Cuando la forma en planta del tablero no es rectangular, por que el eje longitudinal del puente y el eje longitudinal del río forman un ángulo diferente a 90º. (Ver punto 2.5.3) Puentes Isostáticos: es aquel puente cuyos tableros son estáticamente independientes uno de otro y, a su vez, independientes, desde el punto de vista de flexión, de los apoyos que lo sostienen. Placas de Apoyo: Las funciones de los apoyos, además de transferir las fuerzas de la superestructura a la subestructura, son las de disipar y aislar los desplazamientos de traslación y rotación debidos a expansión térmica, contracción por flujo plástico, deflexión en miembros estructurales, cargas dinámicas y vibraciones, entre otros. (Ver punto 2.4.2) Cepas: Parte de la subestructura que transmite las cargas de la superestructura a través de los apoyos hacia la fundación. Estribo: Es parte de la subestructura del puente y se sitúan en los extremos sosteniendo los terraplenes que conducen a él. Curado: Proceso a temperatura ambiente de materiales termoestables que inicialmente se encontraba en un estado liquido pero que, poco a poco, se van haciendo más viscosos hasta que se forma un sólido elástico. Polimérico: Los polímeros son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros. Se pueden clasificar según su aplicación: Elastómeros, Plásticos, Fibras, Recubrimientos, Adhesivos y según su comportamiento a alta temperatura: Termoplásticos y Termoestables Termoestables: Se descomponen químicamente al calentarlos, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas. Termoplásticos: A temperatura ambiente son materiales rígidos, pero al elevar la temperatura se vuelven blandos y moldeables. Sus propiedades no cambian si se funden y se moldean varias veces.

Elastómeros: Los elastómeros son aquellos polímeros que muestran un comportamiento elástico, es decir, se deforman al someterlos a una fuerza pero recuperan su forma inicial al suprimir la fuerza. Vanos: Tramos entre cada cepa del puente. Membrana: Canal utilizado en juntas abiertas para drenar el agua y desperdicios provenientes de la superficie del tablero evitando que se derramen sobre las cepas o estribos del puente. (Figura 6) Material de Soporte (Bond Breaker): Es un material compresible que se utiliza en la instalación de sellos moldeados in situ evitando que el material vertido en la junta escurra a través de ella, además dan el factor de forma (4.2.2.4) para un desempeño correcto. (Ver figura 11, punto 4.2.2.5) Calafetear: Proceso de sellado de juntas utilizado materiales termoestables por medio de una pistola de calafeteo. Blockout: Bloque que es removido de los bordes de la junta para facilitar la instalación de los sellos, luego se rellena con materiales de mejor calidad y resistencia al impacto vehicular. (Ver 7.1.2) Plegados: Proceso por el cual laminas de acero son dobladas formando perfiles con una sección de bordes curvos. Espaldares: El espaldar de estribo sirve de contención del terraplén y de apoyo de la losa de aproximación. Puente Integral: Puente sin juntas de expansión que absorbe las tensiones generadas por los movimientos de servicio por medio de un diseño flexible de la subestructura. Movimiento Extremo: Máximo movimiento esperado en la junta. Cuadro de Desbalance: Cuadro desarrollado en los planos de diseño para tomar en cuenta la diferencia entre la temperatura de instalación y la asumida en el diseño. Vulcanizado: El proceso de vulcanización es un proceso mediante el cual se calienta el caucho crudo en presencia de azufre, con el fin de volverlo más duro y resistente al calor. La vulcanización es un proceso de cura irreversible y debe ser fuertemente contrastado con los procesos termoplásticos que caracterizan el comportamiento de la vasta mayoría de los polímeros modernos. Hundimiento: Al ejercer presión sobre materiales termoplásticos a temperaturas altas provoca el hundimiento del material. Flujo: Materiales termoplásticos que al aumentar la temperatura pierden viscosidad provocando un flujo del material.

Elasticidad: Propiedad mecánica de ciertos materiales de sufrir deformaciones reversibles cuando se encuentra sujetos a la acción de fuerzas exteriores y de recuperar la forma original si estas fuerzas exteriores se eliminan. Plasticidad: Propiedad mecánica de un material, de deformarse permanentemente e irreversiblemente cuando se encuentra sometido a tensiones por encima de su rango elástico. Resiliencia: Es cuando a un material se lo somete a una carga excesiva, es decir, la cantidad de energía que puede absorber un material, antes de que comience la deformación plástica. Cantilever: Diseño de viga anclada en un extremo que es proyectada al vacío. MBJS: Sistemas de juntas modulares (Modular Bridge Joint Systems) PTFE: El politetrafluoroetileno es mejor conocido por el nombre comercial Teflón. G: Módulo de corte, se define como la relación entre la tensión de corte y la deformación. OMV: Ensayo Opening Movement Vibration (OMV), ver punto 5.2.7.1 SPO: Ensayo Seal Push Out Test (SPO), ver punto 5.2.7.2

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