N° 24: Estructuras de soporte de señalización de tránsito

INTRODUCCIÓN

Cuando viajan los ingenieros fijan su atención en objetos que no llaman la atención de las demás personas, como las grandes luces de los palacios renacentistas o las edificaciones de mampostería en Italia (país con amenaza sísmica), las fundaciones y pasos peatonales en Venecia, las maravillas del manejo del agua por la cultura árabe en España, etc.

En esta oportunidad sirve como tema para este Cuaderno, el reconocimiento visual de estructuras de soporte para la señalización vial en el estado de Florida, Estados Unidos (Figuras 1 y 2). Obviando juicios sobre la estética de las soluciones, se reconoce un mercadeo cabal y racional de los productos de acero, análogamente a un cantante de ópera que para posicionarse en la escena debe conocer y reconocer sus limitaciones mediante la selección de su repertorio. 

   

Figura 1. Estructuras para señalización vial

 

Figura 2. Aberturas en estructura de soporte de señalización vial

Al igual que en los anteriores Cuadernos, se dejan planteadas posibles líneas de investigación como la de tender puentes de comunicación e interacción entre las especialidades de la ingeniería civil, que siguen enseñando y manejando como islas incomunicadas.

Palabras claves: Estructuras de soporte de señalización vial, secciones poligonales variables, planchas base anulares, aberturas en postes y monopolos.

Estructuras de soporte de señalizaciones de tránsito

La tipología de las estructuras utilizadas para soportar semáforos y señales para el control vial es muy variada (Figura 3) por lo que está estandarizadas en cada estado de los Estados Unidos, cubriendo desde el proyecto, el montaje, la inspección, hasta el mantenimiento preventivo y correctivo (FWHA, 2005). Una muestra de la tipificación se encuentra en el software SABRE [Best Center, 2012]. Een el Reporte NCHRP 796 (TRB, 2014) contiene un ejemplo completo de análisis y diseño (Ver Ejemplo 2, pág. 29 del documento).

El detalle de la estructura de fijación mostrado en la Figura 4 se resuelve de manera similar a las estructuras de soporte para antenas de telecomunicación (Figura 5). Ver Ejemplo 1.

   

Figura 3. Estructura de soporte de
señalización vial sobre una autopista

 

 

Figura 4. Detalle de la estructura de
fijación

 

 

Figura 5. Estructura de fijación de estructura
de soporte para antenas de telecomunicaciones
[Ponte y Ferreira, 2014]

La conexión de momento entre el brazo en voladizo y la columna de sección transversal poligonal variable con la altura de la Figura 6, se corresponde perfectamente con una conexión de plancha extrema que puede resolverse usando las fórmulas de las conexiones sísmicamente precalificadas, porque el viento puede revertir el sentido de los momentos actuantes.

   

Figura 6. Detalle de la conexión de
momento entre el brazo en voladizo
y la columna poligonal de sección variable

 

Figura 6. Tanquilla para los cables de los equipos

 

 

Figura 7. Abertura para el paso de los cables del equipo de iluminación

 

Aberturas en postes y monopoles

Para el paso de los cables de los equipos y para el mantenimiento e inspección del interior del poste o monopolo, el cliente especifica las aberturas en el cuerpo de la estructura. Cuando se hace planificadamente, las soluciones son como las mostradas en las Figuras 1, 2 para estructuras que soportan cargas importantes o la Figura 6 para estructuras con cargas menores. Las aberturas hechas en campo (Figura 7) amenazan la seguridad de la estructura y de los bienes y personas de su entorno.

Troitsky [1982] presenta un modelo simplificado para el cálculo manual del reforzamiento local en las aberturas del cuerpo de un monopolo, validado por los resultados experimentales y del programa ANSYS (Figuras 8a y 8b.) Estos mismos modelos pueden ser analizados con el software contemporáneo. En el Ejemplo 3 se entregan notas y un cálculo manual.

   

Figura 8a. Modelo para estudiar el efecto de las
aberturas en el comportamiento estructural de
un monopolo.

 

Figura 8b. Discretización mediante elementos
finitos de la abertura de un monopolo.

 

 

Figura 9. Rigidizadores de las planchas bases
y los pernos de anclaje

 

Planchas bases anulares

El Prof. Troitsky también desarrolla en su libro el análisis y el diseño de las planchas bases anulares de los monopolos ( Figuras 1 y 9), pero desde un punto de vista práctico, es mas completa la publicación de [Horn, 2004] por la revisión de muchos de los métodos disponibles para el cálculo de estas planchas bases. Las planchas bases es un tema no agotado en la literatura técnica por lo que se siempre vamos a encontrar artículos en las revistas de ingeniería [Liu, 2004 , etc]. Ver Ejemplo 4.

El análisis, diseño y detallado de los rigidizadores en las planchas bases, tampoco está debidamente decantado en la normativa. El ingeniero estructural debe enfrentarlo echando mano de sus conocimientos de la teoría de placas y del manejo de los elementos finitos con el software disponible. Hawkins [2010] presentó el estado actual de la normalización de las planchas bases anulares. Igualmente pasa con la normalización de la vibración y la fatiga causadas por la acción del viento en este tipo de estructuras [ASME, 2006; Visentini 2004]. En las estructuras de soporte de señalización vial se emplean las disposiciones AASHTO [2013] adaptadas a las particularidades de cada estado o ciudad en los Estados Unidos.

El diseño o la comprobación de los pernos de anclaje no siempre está incluido en las normativas aplicables a los monopolos. En la norma ANSI/TIA-222-G para estructuras de soporte de antenas de telecomunicaciones se contempla la verificación por resistencia al corte y tracción actuando simultáneamente, pero no se pronuncia con respecto a la longitud del anclaje, ni con las distancias a los bordes del pedestal de concreto ni a su confinamiento, por lo que el ingeniero estructural debe resolver interpretando los documentos ACI.

Los Ejemplos 4, 5 y 8 cubren los tópicos tratados en esta parte del Cuaderno. En el Ejemplo 9, además de detalles estructurales de interés, se llama la atención a la protección contra la corrosión de las bases de planchas bases de postes urbanos.

BIBLIOGRAFÍA

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  • Best Center (2012). SABRE. Sign bridge analysis and evaluation systems. Revision 5C, April. Bridge Engineering Software & Technology Center. University of Maryland. 135 p. Ver Anexo 3.
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  • Fuad, H. and Calvert, Elisabeth (2005). New wind design criteria for traffic signal support structures. Report 04219 University Transportation Center for Alabama. The University of Alabama, August, 55 p..
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  • Horn, Daniel ( 2004). Design of monopole bases. Technical Manual 1. Tower Numerics Inc. 113 p. Descarga gratuita en www.towernx.com. Comenta las limitaciones del método de Boulos [Boulos, S.J., Fu Gongkang., and Alampalli, S ( 1993). Load testing, finite element analysis, and design of steel traffic-signal pole. FWHA Research Report 159, New York State Department of Transportation, 62 p ] porque sólo es aplicable a planchas bases cuadradas con cuatro pernos de anclajes. El método de Owens, amplia el método de Boulos, incorporando las bases asentadas sobre mortero de relleno expansivo o sin retracción (grout) y la teoría de las líneas de cedencia. Ver Anexo 5.
  • Hyoung-Bo, Sim and Chia-Ming, Uang (2014). Repair of damaged welded connections in cantilevered steel sign structures. Engineering Structures, Vol. 67, Mayo, pp. 19-28
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  • Shakya, S. and Vinnakota, S (2008), Design aid for triangular bracket plates using AISC Specification. AISC Engineering Journal, Third Quarter, pp. 187-196. Método de diseño menos conservador que el de Salmon, C.G. and Johnson, J.E (1990) Steel Structures Design and Behavior, Harper& Row Publishers., 3rd. ed., New York, NY. pp.257-278. 
  • Telecommunications Industry Association (2009). ANSI/TIA-222-G-2. Structural Standard for Antenna Supporting Structures and Antennas. Addendum 2.
  • The National Association of Architectural Metal Manufacturers (2007). Guide specification for design of metal flagpoles. ANSI/NAAMM Standard FP 1001-07, 25 p.
  • Transportation Research Board (2014). Development and calibration of AASHTO LRFD Specifications for structural supports for highway signs, luminaires and traffic signals. NCHRP Report 796. 123 p. Ver Apéndice C en el Anexo 2.
  • Transportation Research Board (2003).Structural supports for highway signs, luminaires, and traffic signals. NCHRP Report 494. Washinghton, 59 p. Descargar de www.TRB.org.
  • Troitsky, Michael Serge.(1982).Tubular steel structures. Theory and design. The James F. Lincoln and Welding Foundation, Cleveland, Ohio, 400 p.
  • Visentini, Giovanni ( 2014). Acciones del viento sobre las obras de infraestructuras civil y de servicio : Estudio de los efectos de vorticidad de Von Karman. Trabajo Especial de Grado, Universidad Católica “Andrés Bello”, Caracas, Junio, 149 p.
  • Wieghaus, K.T., Hurlebaus, S., Mander, J.B. and Fry, G. (2014). Wind-induced traffic signal structures response: experiments and reduction via helical arm strakes, Engineering Structures, Vol 76, October, pp. 245-255.

ANEXOS

Documentos

Ejemplos

Comentarios

Buenos Días, ¿Alguno sabe a que texto guían las referencia del ejemplo número dos desarrollado en el Ejemplo 2. Cálculo completo de monopostes de señalización vial (Anexo C NHRPReport 796) pues he buscado las tablas y las ecuaciones a las que hace referencia y no las encuentro?. Gracias

Buenas tardes Cristian. Respecto a su consulta el ejemplo 2 se refiere a la página n° 29 del documento (https://www.alacero.org/sites/default/files/u16/ci_ndeg24_-_ejemplo_2_calculo_completo_de_monopones_de_senalaizacion_vial.pdf)

Gracias, me refería por ejemplo: En la pagina 6 del pdf dice "Table 5.7.2-1" las formula de compacto o no compacto pero no dice el texto al que se refiere, al igual que en: pagina 11 "Article C.3.8.4" pagina 11 "Equation 3.8.4-1" pagina 16 "Article 3.9.3-1" Agradecería su ayuda y guía. Disculpa mi ignorancia pero valora la curiosidad pues me encuentro trabajando sobre estos textos.

Buenas noches, en el archivo ejemplo 2, en cada ejemplo mencionan ecuaciones, tablas y figuras, pueden por favor ayudarme a encontrar cada uno de ellos a que norma, libro o artículo hace referencia. Pues las propiedades de cada sección al manual AISC pero el resto no las he encontrado. Gracias

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