Efectos de la temperatura en puentes

Introducción

Los efectos de la temperatura en los puentes se pueden clasificar en efectos resultantes de la variación estacional y/o diurna de las temperaturas medias del puente, y efectos resultantes de la variación de temperatura entre los diferentes elementos del puente. Las variaciones en la temperatura media del puente darán como resultado la expansión o contracción de la superestructura del puente si esta no presenta ningún tipo de restricción. Si la superestructura está restringida total o parcialmente por sus columnas de soporte, pilas o estribos, se producirán esfuerzos inducidos térmicamente. La variación de temperatura entre los diferentes elementos del puente también dará como resultado distorsiones rotacionales y traslacionales de la superestructura.

Las distorsiones rotacionales causadas por una variación de temperatura a lo largo de la profundidad de la superestructura darán como resultado momentos de flexión en una estructura que es continua sobre uno o más apoyos. Cuando esta variación o gradiente de temperatura no es lineal, también se inducirán esfuerzos debido a la tendencia de las secciones planas a permanecer planas. Por tanto, se puede decir que el gradiente de temperatura puede llegar a afectar el comportamiento del puente, y su consideración en el diseño debe realizarse de acuerdo con el criterio y la experiencia del ingeniero estructural.

Ejemplo de aplicación 

A continuación, se presenta un ejemplo de aplicación en el programa midas Civil de un puente continuo sometido a un gradiente de temperatura no lineal, y la comparación respecto a resultados encontrados en la literatura.
Las dimensiones y sección transversal del puente, así como la distribución de temperatura a la cual está sometido pueden observarse en la Figura 1 y Figura 2 respectivamente. Además, se considera un módulo de elasticidad E = 30 GPa, un coeficiente térmico αt = 1.0e-5, y se desprecia la rigidez de la carpeta asfáltica.

Figura 1. Dimensiones y sección transversal del puente

Figura 2. Gradiente de temperatura

Modelación paso a paso en midas Civil

La modelación en midas Civil del ejemplo ilustrado anteriormente se puede resumir en los siguientes pasos como se ilustra en el video.

1. Definición del material
2. Definición de la sección transversal de la viga
3. Creación de los nodos de los apoyos
4. Creación de los elementos finitos de la viga
5. Asignación de condiciones de apoyo
6. Aplicación de gradiente de temperatura

Comparación de resultados

El momento producido por el gradiente de temperatura en los apoyos intermedios puede calcularse a través del método de la flexibilidad, también llamado método de las fuerzas. De acuerdo con este, se debe analizar la estructura liberada en los apoyos mostrada en la Figura 3. También, se deben definir las ecuaciones de compatibilidad que indiquen que la rotación relativa en cada uno de estos apoyos es igual a cero.

Figura 3. Estructura liberada en los apoyos

De acuerdo con los cálculos presentados en Ghali et al.(2002), el momento en ambos apoyos es igual a 867.5 kN-m.
En la Figura 4 se muestra el diagrama de momentos obtenidos con midas Civil. De acuerdo con este, se tiene un momento en el apoyo igual a 867.8 kN-m para la distribución de temperatura asignada, y se obtendría un error del 0.035% respecto a los resultados de referencia.

Figura 4. Diagrama de momentos con midas Civil

Referencias

Ghali, A., Favre, R., & Elbadry, E. (2002). Concrete Structures, Stresses and Deformations (3rd ed.). Taylor & Francis.
Imbsen, R. A., National Research Council (U.S.). Transportation Research Board, National Research Council (U.S.). Transportation Research Board, & Engineering Computer Corporation. (1985). Thermal Effects in Concrete Bridge Superstructures. Transportation Research Board, National Research Council.

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