Avances en la regionalización de las cargas térmicas para el diseño de puentes en Colombia Edison Osorio Bustamante

Cargas ambientales

Temperatura

Cargas térmicasTemperatura uniforme Gradiente de temperatura

Código Colombiano de puentes 2014

TmaxTmin

(CCP-14, 2015)

L

+T

+T

L

𝐹𝑎 = 𝑇 ∙𝑇∙ 𝐴𝐸

𝐹𝑎

𝐹𝑎

L

𝐹𝑎

+T

L

+T

= 𝑇 ∙ 𝑇 ∙ 𝐿

Movimientos Solicitaciones

Fuente: http://ravenelbridge.net/wrapper_mobile.php?may_14_2005_west_ramp.html

Dimensionamiento de apoyos y juntas

Solicitaciones para el diseño de los elementos estructurales

Fuente: https://www.steelconstruction.info/Integral_bridges

CCP-14:Temperatura uniforme

Clima Metálicos [°C] Concreto [°C]

Moderado -18 a 49 -12 a 27

Frío -35 a 49 -18 a 27

• Procedimiento A

• Procedimiento B: Mapas – Faltan para Colombia

Fuente (IDEAM, 2015)

(CCP-14, 2015)

CCP-14: Gradiente térmico

¿En dónde se considera?

TU mayor para deformaciones

TU – 0.5 para análisis con secciones totales

TU – 1.0 para análisis con secciones fisuradas

TG 0.0 Estados límites de resistencia

TG 1.0 Estados límites de servicio sin carga viva

TG 0.5 Estados límites de servicio con carga viva (CCP-14, 2015)

Tipo de tablero Δ Te,minοC Δ Temax

οC

Tipo 1 tablero de acero -3 16

Tipo 2 tablero mixto 4 4

Tipo 3 tablero de concreto 8 2

Temin= Tmin+ Δ Te, min

Eurocódigo: Temperatura uniforme

Temax= Tmax+ Δ Te, max

Tmin: Temperatura máxima anual para período de retorno (100 años)

Tmax: Temperatura máxima anual para período de retorno (100 años)(IAP-11,2012)

Material Costa οC Sierra οC Selva οC

Hormigón 10 a 40 -10 a +35 10 a 50

Acero 5 a 50 -20 a +50 10 a 60

Perú: Temperatura uniforme

(Resolución 589-2003-MTC/02, 2013)

¿Cuáles son las temperaturas de diseño para puentes en Colombia?

Temperatura del aire

Radiación

Convección

Mecanismos de transferencia de calor

Conducción

Viento

Monitoreo

Modelación

𝑘𝛻2𝑇 + 𝑄 = 𝑐𝜕𝑇

𝜕𝑡𝑘𝜕𝑇

𝜕𝑥 𝑛𝑥 + 𝑘

𝜕𝑇

𝜕𝑦 𝑛𝑦 + 𝑘

𝜕𝑇

𝜕𝑧 𝑛𝑧 = 𝑞

• T temperatura en cualquier punto e instante

• k coeficiente de conductividad térmica

• Q calor generado dentro del cuerpo

• es la densidad

• c es la capacidad calorífica específica

• q es la cantidad de transferencia de calor por unidad de

tiempo y área de la superficie = convección y radiación

(Hoffman & Phares, 2014 )

TITLE ( bridge AND ( load OR loading OR stress ) AND ( temperature OR thermal ) )

Fuente: consulta (Scopus, 2018)

Interés científico

𝑇𝑎𝑣𝑔𝑀𝑎𝑥,𝑠𝑐 = 𝑑𝑎𝑦=1

4 𝑇𝑀𝑎𝑥𝐴𝑖𝑟,𝑑𝑎𝑦

41.186 + 12.88 °C

𝑇𝑎𝑣𝑔𝑀𝑖𝑛,𝑠𝑐 = 𝑑𝑎𝑦=1

4 𝑇𝑀𝑖𝑛𝐴𝑖𝑟,𝑑𝑎𝑦

40.9543 + 1.74 °C

𝑇𝑎𝑣𝑔𝑀𝑎𝑥,𝑐 = 𝑑𝑎𝑦=1

4 𝑇𝑀𝑎𝑥𝐴𝑖𝑟,𝑑𝑎𝑦

41.096 + 7.04 °C

𝑇𝑎𝑣𝑔𝑀𝑖𝑛,𝑐 = 𝑑𝑎𝑦=1

4 𝑇𝑀𝑖𝑛𝐴𝑖𝑟,𝑑𝑎𝑦

41.015 + 3.88 °C

Modelo base de AASHTO para los mapas: (Kuppa & Roeder, 1991)

Puente de vigas I de acero y tablero de concreto

Puentes de vigas y tablero de concreto

Número

estación

Nombre Fuente Latitud

(°)

Longitud

(°)

01 San Isidro IDEAM 5.626 -76.750

02 Villa Rosa IDEAM 10.193 -73.547

03 Parque Amacayacu IDEAM 3.819 -70.261

04 La Vuelta IDEAM 5.459 -76.545

05 Villarteaga IDEAM 7.413 -76.599

06 Española IDEAM 5.450 -75.217

07 Matanzas IDEAM 7.036 -75.666

08 Sta Rosa de Simiti IDEAM 7.965 -74.059

09 Lejanías IDEAM 3.533 -74.017

10 Llano Grande IDEAM 7.026 -73.167

11 Salazar IDEAM 7.783 -72.800

12 Univ. del Valle IDEAM 3.378 -76.534

13 Landazuri IDEAM 6.217 -73.817

14 Venecia CENICAFE 4.333 -75.833

15 Ita Andes IDEAM 5.691 -75.880

16 Paraguaicito CENICAFE 4.400 -75.733

17 Arturo Gómez CENICAFE 4.667 -75.783

18 El Agrado CENICAFE 4.517 -75.800

19 La Catalina CENICAFE 4.750 -75.733

20 Maracay CENICAFE 4.600 -75.733

21 La Bella CENICAFE 4.500 -75.667

22 La Sierra CENICAFE 4.283 -75.900

23 Piunti Hda IDEAM 6.730 -75.913

24 Cuatro Esquinas IDEAM 5.667 -75.417

25 Villa de Leiva IDEAM 5.633 -73.533

26 Brasilia Fca IDEAM 5.550 -73.733

27 Aragón Automática IDEAM 6.533 -75.000

28 San Cayetano IDEAM 4.917 -74.182

29 Guachetá IDEAM 5.386 -73.691

30 Toquilla IDEAM 5.524 -72.705

31 Betania IDEAM 4.219 -74.147

Aplicando el modelo (Kuppa & Roeder, 1991) en Colombia

• Periodo de análisis: 1980 a 2010 con datos diarios

• Periodo de retorno de 100 años (análisis de valores extremos)

Período de análisis y resultadosNúmero

estación

Altitud

[msnm]

Puentes de

hormigón

Puentes Mixtos

TMAX,C

[°C]

TMIN,C

[°C]

TMAX,C

[°C]

TMIN,C

[°C]

01 30 42.8 24.4 51.9 21

02 70 49.3 24.5 58.9 21.1

03 82 43.0 23.0 52.1 19.8

04 100 43.3 23.6 52.4 20.3

05 111 41.9 23.4 50.9 20.1

06 400 46.2 24.7 55.6 21.3

07 500 45.8 21.9 55.2 18.7

08 650 42.5 23.0 51.6 19.7

09 680 41.3 21.6 50.3 18.4

10 777 43.0 21.2 52.1 18.0

11 870 40.9 19.6 49.8 16.5

12 985 43.3 20.9 52.5 17.8

13 1085 39.2 15.8 48.0 12.9

14 1168 42.2 19.6 51.3 16.6

15 1180 42.5 16.6 51.6 13.7

16 1203 41.6 19.2 50.6 16.1

17 1259 40.9 18.8 49.9 15.8

18 1275 41.5 19.0 50.5 16.0

19 1321 40.3 20.0 49.2 16.9

20 1402 39.7 18.7 48.6 15.7

21 1449 39.0 18.8 47.8 15.7

22 1,519 38.2 19.1 46.9 16.0

23 1650 39.8 18.8 48.7 15.8

24 1900 35 14.0 43.4 11.2

25 2200 34.7 11.2 43.2 8.6

26 2550 33.5 11.9 41.8 9.3

27 2600 31.6 10.0 39.8 7.5

28 2650 28.5 8.3 36.4 5.9

29 2690 36.9 12.2 45.5 9.6

30 2950 30.2 10.3 38.3 7.8

31 3150 30.4 5.7 38.4 3.5

Puente de vigas I de acero y tablero de concreto

Puentes de vigas y tablero de concreto

AASHTO LRFDProcedimiento A

[°C]

AASHTO LRFDProcedimiento B

Hawái [°C]

AASHTO LRFDProcedimiento B Sur

de la Florida [°C]

Tc39 (0.55) 33.4 (0.65) 30.6 (0.71)

Tsc67 (0.50) 41.7 (0.54) 38.9 (0.86)

Puentes de concreto Tc [°C] 21.6 (=1.9)

Puentes mixtos Tsc [°C] 33.4 (=2.0)

Intervalo de variación de temperatura

Modelación numérica: ¿Datos meteorológicos? ¿Monitoreo?

Sensor Modis

• Producto temperatura en superficie

• Resolución 1.0 km2

• Datos diarios (noche y día)

• Satélites AQUA y TERRA

Sensor LANDSAT

• Producto temperatura en superficie

• Resolución 30 m2

• Semanal (noche y día)

Comparación de medida de temperatura

Pixel de Modis Pixel de LANDSAT

Barranquilla

• Aeropuerto zona de pista

• Zona urbana

Cali

• Aeropuerto zona de pista

• Zona urbana

Ts Modis > Ts Landsat

15

20

25

30

35

40

45

50

55

20 25 30 35 40 45

MO

DIS

Ts

max

[°C

]

Tmax [°C]

Datos de temperatura en superficie

Validación de temperatura de superficie

Plataforma de acceso Aeropuerto el Dorado

05:45 aprox 13:00 aprox

06:00 aprox 13:00 aprox

Plataforma de acceso Aeropuerto el Dorado

Dato de entrada para modelo de análisis

Conclusiones

• Las cargas térmicas es requisito incluirlas en los estados límites de resistencia y servicio para el diseño de puentes y dispositivos de apoyo y juntas

• Los valores de cargas térmicas definidas en la CCP-14 corresponden a zonas con clima estacional y continental por falta de estudios particulares al respecto

• Con el modelo de los estudios base de la AASHTO para el procedimiento B se obtienen un Tc 21.6 °C (=1.9) para puentes de concreto y Tsc 33.4 °C (=2.0) para puentes mixtos los cuales se recomienda validar con mediciones en campo

• Se propone el uso de datos de temperatura de superficie como un parámetro de entrada a los modelos numéricos

• Para dos casos de estudio, se observa datos de temperatura superficie obtenidas del sensor MODIS con resolución 1.0 km2 son mayores que los medidos por el LANDSAT con resolución de 30m2

Créditos

Estudiantes de ingeniería civil

Luis RomeroSebastián PalaciosLorena RamírezJorge Grimaldos

Estudiantes de especialización en SIG

Jorge DuarteLisney PáezJenny Rodríguez

Profesores UAN

Andrés Felipe CarvajalHéctor LunaJuan ValderramaRaúl EcheverryJuan Pablo Rodríguez

Profesores

Alvaro Viviescas (UIS)José Daniel Pabón (Universidad Nacional de Colombia)

Financiación: Proyecto UAN 2017206