modelación de colisión de conjuntos de barcazas con estructuras

modelación de colisión de conjuntos de barcazas con estructuras

MODELACIÓN DE COLISIÓN DE CONJUNTOS DE BARCAZAS
CON ESTRUCTURAS DE PUENTES
Pinto, Federicoa,b; Luperi, Francisco J.a,b; Prato, Carlosa
Departamento de Estructuras, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales,
Universidad Nacional de Córdoba, Argentina, www.portal.efn.uncor.edu
b
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, www.conicet.gov.ar
E-mail: [email protected]
a
RESUMEN
El diseño de puentes sobre vías navegables es frecuentemente gobernado por las
solicitaciones derivadas de los escenarios de colisión contra embarcaciones. El
transporte fluvial mediante conjuntos de barcazas se ha popularizado en las décadas
pasadas, debido al bajo requerimiento de calado para su circulación. Los
reglamentos internacionales de vigencia actual no establecen pautas claras para la
definición de las solicitaciones debidas a la colisión, en particular en relación a
efectos dinámicos y al comportamiento de conjuntos de barcazas de varias
columnas, existiendo a veces contradicciones entre los distintos códigos. Las
fuerzas derivadas de la colisión en el caso de estructuras rígidas se encuentran
asociadas al comportamiento estructural de la proa de las barcazas. En este sentido
los reglamentos actuales no consideran el comportamiento de barcazas de
fabricación local en la Argentina. En este trabajo se resumen resultados de
investigaciones recientes realizadas en la Universidad Nacional de Córdoba en
relación al desarrollo de métodos de diseño aplicables a la tipología regional de
puentes y barcazas y al diseño de defensas independientes.
ABSTRACT
The design of bridges over navigable waterways is frequently controlled by vessel
collision scenarios. The transport of cargo by means of barge flotillas has steadily
increased in the recent decades, mainly due to the limited draft required by these
vessels for navigation. International design guidelines do not clearly define some key
aspects involved in the barge collision process; such as dynamic effects and
behavior of barge flotillas. Different guidelines at times conflict with each other on
these aspects. Since forces developed during collision against rigid structures are
directly associated to the structural configuration of the impacting barge, these
guidelines do not consider the behavior of locally manufactured barges. This paper
summarizes recent findings of research carried out at the National University of
Cordoba on the development of improved design methods applicable to regional
bridges and locally manufactured barges.
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INTRODUCCIÓN
Los puentes sobre vías navegables se encuentran expuestos a solicitaciones
debido a potencial colisión de embarcaciones. Este escenario de diseño
frecuentemente controla el diseño estructural y de fundaciones en la cercanía del
canal de navegación. En la actualidad, las verificaciones frente a este estado de
carga se realiza siguiendo lineamientos de reglamentos internacionales (e.g.,
AASHTO 2008, Eurocode 1991). Estas normativas poseen ciertas inconsistencias
entre sí y no consideran algunas cuestiones importantes que tienen una gran
influencia en las solicitaciones generadas debido al impacto de embarcaciones. A su
vez, existen ciertas limitaciones en cuanto a la aplicación de estas normas a nivel
regional debido a diferencias en las estructuras de las embarcaciones y en las
tipologías estructurales de puentes.
A pesar de que se ha realizado recientemente un gran esfuerzo de investigación
sobre el impacto de barcos contra estructuras de puentes, el estudio del impacto de
grupos de barcazas es relativamente nuevo. Trabajos recientes realizados en la
Universidad de Florida (EEUU) por Consolazio et al. [2008] y en la Universidad de
Kentucky por Harik et al. [2008], han avanzado considerablemente las metodologías
de diseño. Sin embargo, persisten ciertos aspectos que dan lugar a incertidumbres
en el diseño, en particular en el ámbito regional.
En este trabajo se describen investigaciones recientes realizadas en la
Universidad de Córdoba en relación a tres aspectos centrales no completamente
definidos por las metodologías arriba descriptas: i) comportamiento estructural de
barcazas fabricadas en la región; ii) efectos dinámicos, y iii) efecto de las columnas
laterales en el proceso de colisión.
COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE BARCAZAS
La respuesta estructural de las barcazas juega un rol determinante en las
solicitaciones generadas en la estructura de puentes durante colisiones. Si bien
existen otros factores que influyen en este tipo de fenómenos, tal como la respuesta
estructural del puente; la geometría de la pila impactada; la masa y velocidad de la
embarcación y la configuración del grupo de barcazas; la respuesta estructural de la
barcaza que impacta determina la máxima fuerza de contacto posible y la energía
disipada por la embarcación. El comportamiento estructural de barcazas ha sido
estudiado en la literatura internacional (e.g., Meier Dornberg, 1983, Consolazio et al.
2008 y Harik et al. 2008). Sin embargo los tipos de barcazas estudiadas difieren en
su configuración estructural con respecto a las barcazas fabricadas localmente, y el
rango de deformaciones estudiado es menor al correspondiente a las condiciones
esperables en el ámbito regional (e.g., Luperi y Pinto, 2013).
Con el objeto de definir las curvas carga deformación de proas de barcazas de
fabricación local, se desarrolló un modelo numérico a partir de planos provistos por
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la empresa UABL, mediante gestiones de la Dirección Nacional de Vialidad. Se
estudia el comportamiento de barcazas de carga general y tanque tipo Paraná. Las
barcazas tipo Paraná poseen un eslora de 59,5 m, manga de 16 m y un calado de
3,4 m. Tanto la barcaza de carga general como tanque poseen versiones con proas,
que navegan en las líneas delanteras o traseras de grupos de barcazas y tipo cajón
que navegan en el interior del grupo de barcazas. Ambos tipos poseen cascos
dobles, constituidos por una chapa de acero con rigidizadores en forma de L. A su
vez tienen secciones reforzadas formadas por vigas de sección abierta (en forma de
L y U) y secciones estancas formadas por mamparas de chapas de acero. En la
Figura 1 se puede observar la geometría de las proas, donde se han realizado cortes
para visualizar las secciones reforzadas y estancas. Los espesores del casco varían
entre 5/16 a 3/4 de pulgadas (Luperi y Pinto, 2013).
Figura 1. Modelos de proas de barcazas regionales
El modelo considera la estructura de las barcazas mediante elementos de lámina
tanto para el casco como para los rigidizadores y refuerzos internos. Para el
comportamiento flexional se utilizan deformaciones de corte impuestas y para el
comportamiento membranal se utiliza una técnica de estabilización de mecanismos
sin energía de deformación. Se considera material no lineal definido por tramos
independiente de la velocidad de deformación de acuerdo a los diagramas tensión
deformación del acero ASTM A36, adoptando una deformación plástica equivalente
máxima del 20 %, para lo cual se eliminan de la malla los elementos que cumplen
con este criterio. Se realizó un análisis dinámico explícito, el cual que se considera
ventajoso respecto a esquemas implícitos debido a la gran cantidad de contactos
que involucra el problema. Se consideró además la no linealidad geométrica.
La estructura impactada es modelada como rígida y se la representó mediante
elementos de superficie, fijando sus desplazamientos. Se utilizó una definición de
contacto general sin rozamiento entre partes. Esta definición de contacto busca y
aplica automáticamente la condición de contacto entre todos los elementos del
modelo, ya sean entre diferentes componentes o entre partes de un mismo
componente.
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Teniendo en cuenta la magnitud de la energía cinética de grupos de barcazas que
circulan en la región se estimó necesario disponer de curvas con una deformación
máxima del orden de 12 m. Se definió la geometría completa de los distintos tipos de
barcazas, utilizando una discretización mas detallada en la porción delantera. Para
simular la acción hidrostática del agua se utilizaron resortes en la porción inferior de
las barcazas. Se utilizan ecuaciones de restricción para que los nodos inferiores de
los elementos de resortes tengan los mismos desplazamientos en el plano horizontal
que el nodo superior, fijando los desplazamientos verticales de manera que los
resortes siempre actúen en dirección vertical normal. Para estudiar el
comportamiento estructural se modeló una sola barcaza, con el objetivo de que la
deformación alcance la magnitud esperada, se incorporó la acción de las barcazas
posteriores mediante la asignación de masa adicional en los nodos de la parte
posterior de la barcaza. Se utilizó una condición inicial de velocidad de 5 m/s.
Previamente se verificó que la velocidad de impacto no afectara considerablemente
la relación carga deformación obtenida. La relación carga deformación resulta de
una interpolación de la historia de carga y de desplazamientos, ya que en este tipo
de análisis la velocidad de la barcaza varía en el tiempo.
Se realizaron análisis de impactos centrados y sobre la esquina de barcazas
contra pilas cilíndricas, prismáticas rectangulares y contra muros planos, en forma
perpendicular y en forma oblicua. La Figura 2 ilustra resultados típicos obtenidos.
a)
b)
c)
Figura 2. Deformación de barcaza Tanque tipo Paraná contra pila cilíndrica
En los resultados del análisis mediante elementos finitos se pudo observar las
siguientes tendencias:
• Para impactos contra pilas planas y cilíndricas el valor de la carga máxima
alcanzada depende de la forma y dimensión de la pila. Esta tendencia es más
marcada en el caso de pilas planas.
• Para la mayoría de los casos analizados existe un pico inicial de la fuerza,
que se corresponde con deformaciones del orden de los 10 cm. Durante esta etapa,
las deformaciones permanentes se ven acotadas a una zona próxima a la pila
(Figura 2a).
• Luego del pico inicial, la carga se mantiene en niveles similares o desciende,
hasta alcanzarse deformaciones del orden de los 5 m (dimensión de la proa).
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Durante esta etapa, la deformación se desarrolla de manera generalizada en la proa,
pandean la mayoría de los refuerzos internos y el cuerpo de la barcaza no sufre
deformaciones considerables (Figura 2b).
• Para deformaciones mayores a 5 m, aproximadamente, la carga aumenta a
valores incluso mayores al pico inicial. Este incremento de carga es más marcado
para las barcazas tanque que para las barcazas tolva y para pilas planas que para
pilas cilíndricas. Este fenómeno se debe a que la estructura impactada entra en
contacto con el cuerpo de la barcaza una vez deformada la proa (Figura 2c).
• En los casos de impacto en esquina contra pilas planas se observó una
respuesta similar a los impactos centrados. Sin embargo, para los casos de impacto
en esquina contra pilas cilíndricas se encontró una diferencia significativa respecto a
los impactos centrados.
Algunas de estas tendencias concuerdan con las descriptas por Consolazio et al.
(2008) y Harik et al. (2008) para barcazas tipo Jumbo Hopper y Oversize Tanker. Sin
embargo, estos autores investigaron el comportamiento de la proa de barcazas para
deformaciones máximas del orden de 5 m, por lo que no capturaron el incremento
marcado de carga para deformaciones mayores a la longitud de la proa. Algunas de
las curvas carga deformación obtenidas para los distintos casos considerados se
muestran en la Figura 3, mientras que los resultados completos pueden encontrarse
en Luperi y Pinto (2014).
a)
b)
Figura 3. Respuesta estructural de barcaza tanque tipo Paraná para impacto
centrado contra a) pila cilíndrica b) pila rectangular
EFECTO DE COLUMNAS LATERALES
El transporte fluvial se realiza generalmente mediante grupos de barcazas que
pueden estar compuestos por varias filas y columnas de barcazas, amarradas unas
a otras mediante cables de acero. Durante el proceso de impacto del conjunto de
barcazas contra una pila de puente, se produce una serie de fenómenos que
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influyen en la historia de carga generada. Estos fenómenos incluyen: la transferencia
de energía entre las barcazas que no impactan directamente y las barcazas que
entran en contacto con la pila, la posible separación del grupo en dos o más
subgrupos debido a la falla de los amarres y la posibilidad de impactos excéntricos o
con una componente de velocidad inicial transversal, entre otros. La Figura 4
muestra la conformación típica de un grupo de barcazas.
Figura 4. Colisión de conjunto de barcaza – esquema típico para análisis
Actualmente, los códigos de diseño (e.g., AASHTO, 2008) no proporcionan
herramientas de análisis específicas que permitan establecer el efecto de las
columnas laterales, y muchas veces el diseño ignora el efecto de las columnas que
no impactan directamente con la estructura de pila.
Harik y colaboradores (2008) desarrollaron un modelo unidimensional de masas y
resortes elasto-plásticos válido para grupos de varias columnas de barcazas. Una
limitación importante del método propuesto es que sólo es válido para impactos
simétricos y perpendiculares. Por lo tanto, no es posible modelar impactos
excéntricos o con velocidad oblicua al eje del puente. Además, el modelo no
considera la falla de los amarres debido a deformación excesiva, lo que no permite
modelar la posible separación del conjunto en dos o más porciones.
Luperi y Pinto (2013) desarrollan un modelo de múltiples grados de libertad
bidimensional que permite estudiar el comportamiento del conjunto, incluyendo el
comportamiento no-lineal de las eslingas y la proa, y desarrollan un procedimiento
simplificado para definir la masa equivalente que actúa en el proceso de colisión
para las situaciones en las que las columnas laterales se desprenden. Mediante el
modelo de MGL bidimensional, y estudios paramétricos, se define un índice de
separación que indica si el conjunto permanece unido o si se separan las columnas
laterales. Para el caso en que las filas se separan, se presentan ecuaciones
paramétricas que definen un coeficiente de influencia de columnas laterales, CI, que
permite evaluar la masa equivalente involucrada en el impacto:
Me = Mc (1+CI)
(1)
donde Mc es la masa de las filas que impactan directamente y CI es obtenido
mediante las regresiones presentadas por Luperi y Pinto (2013) para distintos tipos
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de barcazas. A modo de ejemplo, se considera grupo de barcazas tolva tipo Paraná,
compuesto por 3 columnas de 2 barcazas cada una, con una configuración de
eslingas del tipo robusta (Luperi y Pinto, 2013) impactando contra una pila cilíndrica
de 2 m de diámetro a una velocidad de 3 m/s. En este caso, la metodología
simplificada indica que las columnas laterales se separan, resultando el coeficiente
de influencia, CI = 0.75, lo que implica que cada una de las columnas adyacentes a
la que impacta colabora con un 37.5% de su cantidad de movimiento inicial al
impacto. Considerando la metodología simplificada propuesta por Luperi y Pinto
(2014) y un coeficiente CI = 0.75, se obtiene la historia de cargas ilustrada en la
Figura 5, la cual aproxima muy favorablemente los resultados obtenidos mediante un
modelo completo de elementos finitos del grupo de barcazas.
Figura 5. Modelo detallado de elementos finitos vs. modelo simplificado propuesto
EFECTOS DINÁMICOS
La metodología empleada por la norma AASHTO consiste en determinar una
fuerza de impacto “estática equivalente”, la cual es determinada en base a la energía
cinética inicial de la barcaza. Considerando que toda la energía cinética de la
barcaza es transformada en trabajo de deformación elastoplástico de la estructura
de proa, es posible obtener la fuerza “estática equivalente” igualando el área por
debajo de la curva carga-deformación de la energía a disipar. Dado que los ensayos
originalmente desarrollados por Meier Dörnberg (1983) no indicaron gran diferencia
de las curvas carga-deformación entre ensayos estáticos y dinámicos, se estableció
el concepto de carga “estática equivalente”, que considera los efectos dinámicos en
la estructura de la barcaza, pero no en la estructura impactada.
En la década pasada, Consolazio y colaboradores (2008) desarrollaron métodos
de análisis para realizar análisis dinámicos de colisión de embarcaciones. Estos
autores desarrollaron métodos de análisis acoplados mediante la fuerza de impacto
para el análisis de las solicitaciones, y un método simplificado por el cual es posible
definir la historia de cargas para luego ser aplicada en un modelo dinámico. Este
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último método—denominado AVIL por sus siglas en inglés— produce resultados
acordes con métodos de cálculo más sofisticados que consideran la interacción
barcaza-puente en forma rigurosa (en impactos que produzcan deformación
permanente en la barcaza menor a la dimensión de la proa). El método AVIL tiene la
ventaja que la historia de carga calculada puede ser aplicada directamente al
modelo de puente a fines de realizar un análisis dinámico. La historia de carga se
calcula a través de los principios de conservación de energía y conservación de
cantidad de movimiento, en base a las características de la embarcación (masa de
barcaza, velocidad inicial, relación carga-deformación de la proa) y algunas
características estructurales básicas del puente. En la Figura 6 se muestra un
esquema conceptual del modelo de 1 grado de libertad dinámico considerado para la
formulación de este método.
Figura 6. Modelo de Barcaza-Pila-Suelo
La metodología simplifica a la historia de cargas en tres etapas; una primera
etapa en la cual las cargas en la proa de la barcaza aumentan hasta que se produce
fluencia, una segunda etapa durante la cual la carga se mantiene constante e igual a
la carga de fluencia, y una tercera etapa de descarga al final del proceso de colisión.
Se considera que la primera y tercer etapas se producen en forma perfectamente
elástica, y se asumen variaciones del tipo de un cuarto de onda de seno en la
historia de cargas (Figura 7). La duración de la primera y tercer etapas del proceso
es determinada en función de consideraciones sobre conservación de momento
lineal y de energía, mientras que la duración de la segunda etapa es determinada
mediante consideraciones sobre conservación de momento lineal y que la velocidad
es nula al final de esta etapa (Consolazio et al., 2008). Cabe destacar que el
Eurocode (1991) contempla una metodología similar para la definición de historia de
cargas, en la cual la zona de fluencia posee endurecimiento.
La metodología AVIL propuesta por Consolazio no considera la masa de la
estructura impactada, lo cual puede ser una importante limitación, en particular para
los puentes de tipología regional, los cuales cuentan con importantes cabezales
flotantes. Luperi, Pinto y Prato (2010) extienden el método AVIL para considerar el
efecto de la masa de la estructura impactada, mediante la adición de un grado de
libertad dinámico a la formulación simplificada. El método propuesto Luperi, Pinto y
Prato (2010), denominado Método Modal Simplificado (MMS), obtiene una historia
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de cargas simplificada similar a la ilustrada en la Figura 7, pero donde los
parámetros que definen la variación temporal consideran el modelo de 2GLD
correspondientes a la embarcación y a la estructura. El MMS puede incorporar el
concepto del coeficiente de influencia para considerar el posible desprendimiento de
las filas laterales durante la colisión de grupos de barcazas.
Figura 7. Historia de cargas simplificada mediante el método AVIL
Figura 8. Historia de cargas simplificada para una barcaza a 1.2 m/s
La Figura 8 muestra un ejemplo de aplicación de los distintos métodos para el
caso de una barcaza a 1.2 m/s contra una estructura flexible con un cabezal masivo
(Luperi, Pinto y Prato, 2010). Puede verse que el método AVIL obtiene una historia
de cargas correspondiente a un impacto elástico (media onda de seno) ya que no
considera la fuerza de inercia adicional de la estructura impactada, la cual ocasiona
fluencia en la estructura de la barcaza. La fluencia en la barcaza es correctamente
representada por el método MMS.
Luperi (2011) concluyen que para impactos de gran energía sobre estructuras
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rígidas (es decir, cuando la plastificación ocurre en las barcazas) la historia de
cargas resulta similar a un pulso rectangular de gran duración, debido al tiempo
necesario para transferir la cantidad de movimiento. De esta manera, el factor de
amplificación sobre la estructura se aproxima a, γ = 2.
MÉTODOS SIMPLIFICADOS PARA DISEÑO
Luperi y Pinto (2013, 2014) proponen dos métodos simplificados para diseño que
permiten modelar la colisión de un conjunto de barcazas con una estructura de
puente mediante herramientas comúnmente disponibles en la Ingeniería Estructural,
tal como el programa SAP2000 (Computers and Structures, 1995). Los métodos
propuestos permiten considerar el comportamiento de barcazas regionales (Tolva o
Tanque tipo Paraná) o barcazas Jumbo Hopper u Oversize Tanker, reportadas en la
literatura internacional. Sin embargo, para estas últimas embarcaciones las
relaciones carga-deformación sólo se encuentran disponibles para un rango limitado
de energía. Las relaciones carga-deformación para barcazas Tolva o Tanque tipo
Paraná se encuentran tabuladas en forma lineal por tramos para un rango mayor de
deformaciones (Luperi y Pinto, 2014).
Los métodos propuestos por Luperi y Pinto (2014) también permiten considerar el
comportamiento de las filas laterales, a través del coeficiente de influencia CI, y los
efectos dinámicos, tenidos en cuenta por el modelo estructural general.
Método acoplado mediante fuerza de contacto
El comportamiento de un grupo de barcazas puede ser caracterizado mediante un
modelo del tipo masa y resorte no lineal para impactos simétricos. Consolazio et al.
(2008) proponen un método de análisis donde se utiliza este modelo simple para las
barcazas, el cual es acoplado al modelo del puente mediante la fuerza de contacto.
Si bien el modelo utilizado por este autor no se encuentra disponible
comercialmente, actualemente es posible utilizar programas de análisis estructural
disponibles para este fin. A continuación se describe el modelo utilizado para el
análisis acoplado mediante la fuerza de contacto en el programa SAP 2000 (Figura
9).
Para definir el comportamiento del resorte no lineal de la barcaza se utilizan dos
nodos conectados por dos elementos en serie que se conectan a su vez al punto de
impacto de la estructura. Al primer nodo se le asigna la masa de las barcazas y se
restringen todos los grados de libertad excepto en la dirección de desplazamiento. El
elemento que une estos dos nodos es un elemento de comportamiento elasto
plástico definido por tramos con endurecimiento tipo cinemático. El segundo es un
elemento que solamente soporta esfuerzos de compresión con comportamiento
lineal en ese rango. La rigidez de este elemento se define con un valor dos órdenes
de magnitud mayor a la rigidez del primer elemento con el objetivo de que a los
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efectos prácticos se comporte como un elemento rígido y su flexibilidad no influya
considerablemente en los resultados.
Es necesario asignar una masa de estabilización al nodo intermedio, ya que en
caso contrario el algoritmo de solución del programa no converge. El tipo de análisis
compatible con las características de los elementos utilizados es un análisis
dinámico explicito no lineal. Debido a que en el programa utilizado no se pueden
definir velocidades como condiciones iniciales de análisis, se definen dos casos de
análisis consecutivos, para lo cual el programa toma las condiciones del último paso
de cálculo del primer caso y se las asigna como condiciones iniciales al caso
siguiente.
En el primer caso de análisis se aplica una carga al grado de libertad que
representa la barcaza que lo acelera de tal forma que la velocidad al final de esta
etapa se corresponda con la velocidad inicial del impacto. Debido a que se desea
que el elemento de comportamiento elastoplástico no tome carga durante la etapa
inicial se asigna al elemento de sólo compresión una separación libre igual al
desplazamiento total ocurrido en la primera etapa.
Figura 9. Esquema de modelación mediante contacto acoplado
Con el objeto de validar el modelo simplificado, se analiza el impacto de una fila
de 3 barcazas tolva tipo Paraná totalmente cargadas, viajando a 5 m/s e impactando
contra una pila rectangular de 6 metros de ancho. En la Figura 10 se muestra la
historia de fuerzas de impacto calculada mediante un modelo de elementos finitos
completo de alta resolución (Luperi y Pinto, 2014) y mediante el modelo de un grado
de libertad, donde se puede observar un buen ajuste entre ambos.
Este procedimiento es más ventajoso que un análisis estático ya que considera la
amplificación dinámica. Además permite el análisis de impactos contra estructuras
flexibles (defensas) y no está limitado a comportamiento elasto-plástico perfecto,
como el método de historia de carga predefinida. Adicionalmente, es posible estimar
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la influencia de las columnas laterales en grupos de barcazas mediante el
coeficiente de influencia, CI, descripto anteriormente.
Figura 10. Modelo simplificado vs. completo
Método de historia de carga aplicada
Este método es similar al propuesto por Consolazio et al. (2008), al cual se le
introducen algunas modificaciones para su aplicación a nivel regional. Estas
modificaciones son necesarias debido a que la relación carga deformación elastoplástica perfecta considerada por estos autores no es aplicable en casos de
impactos de gran energía. En los resultados obtenidos para las barcazas tipo Paraná
se observa que la fuerza de impacto cambia considerablemente cuando la
deformación excede el largo de la proa y alcanza al cuerpo de la barcaza. Teniendo
en cuenta este fenómeno se propone utilizar dos niveles de carga de fluencia: uno
para la proa y otro para el cuerpo de la barcaza. Para determinar los valores de
carga de fluencia y la deformación a la cual se produce la transición, Luperi y Pinto
(2014) propone un ajuste bilineal de la relación energía de deformación para los
casos investigados, en donde la pendiente de cada tramo representa la carga de
fluencia de la proa y del cuerpo de la barcaza respectivamente, como se muestra en
la Figura 11.
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Figura 11. Carga de fluencia de proa y del cuerpo de barcaza Tolva, para impacto
centrado contra pila rectangular, mediante ajuste de relación energía deformación
De esta manera, Luperi y Pinto (2014) tabula valores para determinar los plafones
de fluencia para pilas rectangulares y cilíndricas, y la deformación a la cual ocurre la
transición entre ambos plafones. En base a la carga de fluencia de proa y del cuerpo
de la barcaza se determina la historia de carga como lo muestra la Figura 12 (Luperi
y Pinto, 2014).
Figura 12. Historia de carga simplificada considerando dos plafones de fluencia
La Figura 13 ilustra una comparación de las fuerzas de impacto contra una pila
cilíndrica de 8 m de diámetro de una fila de 4 barcazas tolva tipo Paraná a una
velocidad inicial de 4 m/s calculadas mediante el método de historia de carga
aplicada y el mediante el modelo acoplado mediante la fuerza de contacto. Se puede
observar que el método de historia de carga aplicada se corresponde en términos
generales con la historia de carga calculada mediante el modelo acoplado mediante
el método de fuerza de contacto descripto en el punto anterior, por lo cual resulta
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una muy buena aproximación para situaciones en las que no es posible desarrollar
un modelo acoplado, o para obtener una primera estimación de la historia de cargas
para predimensionar estructuras.
Figura 13. Historia de cargas simplificadas
CONCLUSIONES
Los reglamentos internacionales de vigencia actual no establecen pautas claras
en relación a efectos dinámicos y al comportamiento de conjuntos de barcazas de
varias columnas, existiendo a veces contradicciones entre los distintos códigos.
Investigaciones recientes reportadas en la literatura internacional han abordado
estos aspectos, pero considerando condiciones que no son directamente aplicables
al ámbito regional (niveles de energía y tipos de embarcaciones). Estas
metodologías han sido modificadas recientemente en la Universidad Nacional de
Córdoba para desarrollar métodos de diseño aplicables a las condiciones locales,
considerando barcazas fabricadas en la región, grandes niveles de energía
correspondientes a las condiciones de navegación en el Río Paraná, y
comportamiento de grandes conjuntos de barcazas incluyendo la posibilidad de
desprendimiento por rotura de eslingas.
De esta manera, se cuenta con dos métodos simplificados que permiten obtener
historias de fuerzas de colisión más detalladas que las recomendaciones contenidas
en los reglamentos internacionales, los cuales no establecen pautas claras para
considerar los distintos aspectos que definen el fenómeno de colisión de conjuntos
de barcazas contra puentes.
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AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la Dirección Nacional de Vialidad y a la empresa UABL
por el acceso a los planos de las barcazas Paraná, lo que posibilitó los presentes
desarrollos.
Este trabajo forma parte de las actividades de los autores auspiciadas por el
CONICET y por la Secretaría de Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional de
Córdoba, cuyo apoyo que se agradece muy especialmente.
REFERENCIAS
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Specification. American Association of State Highway and Transportation Oficials
(AASHTO), Washington, D.C., 2008.
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y Daniel J. Getter. Development of Improved Bridge Design Provisions for Barge
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[5] Meier-Dörnberg. Ship collisions, safety zones, and loading assumptions for
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sus Aplicaciones. Buenos Aires, Argentina, 2010.
[8] Luperi F. J. Determinación de Historias de Fuerzas Debidas a Impactos
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Ciencias de la Ingeniería, Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales,
Universidad Nacional de Córdoba. Argentina, 2011.
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contra Pilas de Puentes. XX Congreso sobre de Métodos Numéricos y sus
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[10] Luperi F. J.y Pinto F. Modelación de Impactos de Barcazas Contra Pilas de
Puentes Mediante Elementos Finitos. XXI Congreso sobre de Métodos Numéricos y
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