DIAGNÓSTICO Y REHABILITACIÓN DE PUENTES FERROVIARIOS DE ACERO

Martín Eduardo Polimeni

Ingeniero Civil. Ciudad de Buenos Aires - Argentina.

EEPP Consultora de Ingeniería eeppsaingenieria@gmail.com

Resumen del Trabajo

En el presente trabajo se describen los criterios para el diagnóstico y rehabilitación de puentes ferroviarios de acero existentes los cuales, en general poseen en la actualidad, su vida útil de servicio caduca. Se describirán las tareas de campo, de laboratorio de materiales y de análisis estructural y fractomecánico necesarias para el diagnóstico de la confiabilidad estructural. Asimismo, se describirán las distintas alternativas de métodos de rehabilitación estructural para la puesta en valor y su posterior inspección y mantenimientos preventivo y correctivo de dichas estructuras. Abstract This paper describes the criteria for the diagnosis and rehabilitation of existing steel railway bridges, which generally have an expired service life at present. The field inspection, materials laboratory testing and structural and fracture mechanics analysis tasks, necessary for the diagnosis of structural reliability, will be described. The different alternatives of structural rehabilitation methods for the retrofitting and the subsequent inspection and preventive and corrective maintenance of those structures will also be describe.

Introducción.

La gestión de activos, en este caso puentes ferroviarios de acero existentes, es un desafío de gran envergadura en todo el mundo, que debe enfrentarse en forma planificada con el fin de restablecer la confiabilidad de estas estructuras para su uso seguro. Para el diagnóstico y rehabilitación estructural, deben ejecutarse tres grandes grupos de tareas:

Tareas de campo, con el fin de determinar el estado de conservación actual de la estructura

Tareas de laboratorio, con el fin de determinar las propiedades mecánicas y fractomecánica del material.

Tareas de gabinete, con el fin de analizar resistente y fractomecánicamente a la estructura y estimar su vida útil remanente y, en caso de ser necesario, establecer las intervenciones estructurales a realizar para reestablecer la confiablidad estructural.

Trabajos de campo y laboratorio.

Para realizar trabajos de campo y laboratorio con el fin de determinar el estado de conservación actual de un puente existente de acero y las propiedades del material que permitan un diagnóstico estructural se deben realizar, como mínimo, las siguientes tareas y ensayos destructivos y no destructivos:

Inspección visual y relevamientos dimensional y del estado de conservación. Ensayos destructivos (ED). Tracción y alargamiento, composición química,

metalografía y Charpy. Ensayos No destructivos (END). Ultrasonido, partículas magnéticas y/o tintas

penetrantes.

Materiales. Hierro forjado. Tenacidad y soldabilidad del material.

El hierro forjado puede encontrarse, comúnmente, en puentes de acero muy antiguos (previos a 1930). Es un material que posee una tenacidad a la fractura anisotrópica debido a inclusiones laminares en su microestructura, Figura 1. Es particularmente importante realizar análisis metalográficos para determinar las características de la microestructura del material. La soldabilidad de este tipo de material, en general, no es buena y se deben diseñar procesos especiales de soldadura o utilizar otro tipo de métodos de reparación y rehabilitación como la solución abulonada. Adicionalmente, la susceptibilidad al desgarro laminar es un problema importante a tener en cuenta si se detecta la existencia de este material.

Esta problemática se puede comprobar comparando los requisitos mínimos de los códigos modernos para los valores obtenidos mediante el ensayo de Charpy y los valores obtenidos en ensayos de hierro forjado:

Acero estructural. Requisito mínimo de los códigos modernos: CVN = 27 J.

Hierro forjado perpendicular a sus inclusiones laminares (planas) (transversal al espesor): CVN <10 J.

Figura 1. Micrografía típica de hierro forjado (obtenido de [1]).

Análisis de fatiga. Daño acumulado.

La Figura 2 muestra el diagrama de daño por fatiga de Kitagawa - Takahashi con dos zonas de daño claramente diferentes. Para fines de diagnóstico y rehabilitación de puentes de acero es de interés la zona de iniciación y propagación estable de fisuras, controlada por defectos. De igual forma, la cuarta zona del diagrama de regímenes de fatiga y fractura, Figura 3, regida por el proceso de propagación estable de grietas “largas” (por encima de la línea Kitagawa - Takahashi) con K ˃ Kth y Sa ˃ Se es el régimen de interés para el evaluación de la fatiga de puentes de acero existentes.

Figura 2. Diagrama de daño por fatiga de Kitagawa - Takahashi (esquemático)

Figura 3. Regímenes y zonas de fractura y fatiga (esquemático)

Existen tres etapas principales de crecimiento de grietas (Figura 4):

I- Etapa de iniciación (K ≤ Kth) analizada a través de la Mecánica de Daño (regla de daño acumulado de Palmgren-Miner, D ≤ 1).

II- Etapa de propagación K ˃ Kth) analizada mediante Mecánica de Fractura Elástica Lineal (Ley de Paris, da / dN).

III- Etapa de falla, inestabilidad (Kmax → Kc).

En el diagnóstico estructural y la rehabilitación de puentes de acero existentes, la segunda etapa es la de principal interés, dado que es la etapa donde el proceso de fisuración es de consideración y debe intervenirse. Los siguientes son los parámetros principales del enfoque de análisis de fatiga mediante la Mecánica de Fractura Elástica Lineal. Factor intensidad de tensiones Ec. (1), tamaño crítico de fisura Ec. (2), rango de factor de intensidad de tensión equivalente, Ec. (3), tasa de propagación y cantidad de ciclos hasta la falla según la ley de París. Ecs. (4-5). 𝐾 𝑌 ∙ 𝜎 ∙ √𝜋 ∙ 𝑎 (1)

𝑎 1 𝜋 ∙𝐾

𝑌 ∙ 𝜎 (2)

∆𝐾 𝑌 ∙ ∆𝜎 ∙ √𝜋 ∙ 𝑎 (3)

𝑑𝑎𝑑𝑁 𝐶 ∙ ∆𝐾 (4)

𝑁 1𝐶 ∙

𝑑𝑎∆𝐾 (5)

Su: resistencia última. Sy: tensión de fluencia. Se: límite de fatiga.

a: amplitud de la tensión cíclica. : tensión remota. a: longitud de la fisura. C; m: parámetros del material determinados empíricamente. Y: parámetro geométrico, f (a/w). w: ancho del cuerpo fisurado. c: tensión remota crítica. KIC: tenacidad a fractura a la mínima temperatura de servicio esperada. CVN: resultado del ensayo Charpy V a la mínima temperatura de servicio esperada. K: factor de intensidad de tensiones. ao: longitud inicial / detectada de la fisura (en general, tamaño inicial de la fisura al final de la etapa de iniciación). ac: longitud crítica de fisura (de acuerdo a la tenacidad del material). e: rango equivalente constante de tensiones (misma vida a fatiga que el espectro de rangos de amplitud variable). Ke: rango equivalente constante del factor de tensiones. Kth: umbral del rango del factor de intensidad de tensiones (Kth.eff umbral del rango de intensidad de tensiones considerando los efectos de cierre). Nf: número de ciclos hasta la falla.

Análisis fractomecánico. Vida útil remanente.

Es posible e importante determinar el número de ciclos necesarios para que una fisura detectada o supuesta crezca desde una longitud inicial ao hasta su longitud crítica ac (la cual depende de la tenacidad a fractura del material), mediante el uso de la estimación de la tasa de crecimiento de fisuras de la Ley de París, Figura 4.

Figura 4. Curva de crecimiento por fatiga y corrosión de una fisura (esquemático)

Si bien el acero estructural presenta un comportamiento dúctil a las temperaturas de servicio más bajas previstas, es admisible utilizar los parámetros de Mecánica de Fractura Elástica Lineal (MFEL) (K, KIC) en lugar de los parámetros de Mecánica de Fractura de Elastoplástica (MFEP) (CTOD, J y Curva R (JR, CTODR vs. a)) para obtener el número de ciclos restantes hasta la falla mediante la ley de París.

Adicionalmente, para facilitar el procedimiento para obtener la tenacidad a la fractura del material, es posible correlacionar a KIC con el valor del ensayo Charpy CVN a la temperatura de servicio más baja esperable, ensayo sensiblemente más sencillo de ejecutar. Existen diversas correlaciones entre KIC y CVN. La más utilizada en el análisis estructural es la de Rolfe – Novak – Barsom, CVN - KIC, Ec. (5), para la región superior de la curva Tenacidad -Temperatura, Figura 5.

Figura 5. Zonas gobernadas por la MFEL (LEFM) y la MFEP (NLFM) respecto a la Temperatura de Ductilidad Nula (Temperatura de Transición Dúctil - Frágil (TTDF))

𝐾

𝑆 0,646 ∙ 𝐶𝑉𝑁𝑆 0,0098 (6)

Rehabilitación y reparación. Detalles propensos a fatiga (hot-spots).

Para ejecutar trabajos de diagnóstico, pronóstico, rehabilitación y mantenimiento de puentes de acero existentes es importante determinar los detalles propensos a la fatiga (hot spots) de la estructura a analizar. Los más usuales se enumeran en la Figura 6.

Pueden existir dos procesos principales de fatiga inducida en los elementos de acero de un puente.

Carga inducida por fatiga (tensiones primarias en el plano)

Fatiga inducida por deformaciones (distorsión fuera del plano / tensiones secundarias).

El primero es un proceso de carga viva bien conocido, relativamente sencillo de evaluar y claramente establecido en estándares y códigos. El segundo, según su naturaleza por tensiones secundarias, su evaluación requiere análisis estructurales más profundos y complejos y mayor expertise.

Principales procesos y detalles propensos a fractura y fatiga:

Recorte de alas. Detalles “agregados” soldados (attachments), por ej. chapas nodales de

arriostramientos. Extremos inferiores de rigidizadores transversales.

Empalmes soldados de rigidizadores longitudinales. Platabandas soldadas. Defectos de soladuras. Tableros ortotrópicos. Distorsión fuera del plano. Fatiga inducida por constricción (CIF Constraint-Induced Fracture). Vibraciones inducidas por la acción del viento. Tensiones residuales. En general, todo detalle de considerable concentración de tensiones.

Figura 6. Casos de daños por fatiga recopilados enumerados según el tipo de detalle

en el que se encontraron (obtenido de [2]).

Una vez que se ha realizado el diagnóstico estructural y determinado que la rehabilitación estructural es necesaria, se pueden plantear dos métodos principales de reparación y rehabilitación (pueden ser complementarios):

a) mejorar el rendimiento de fatiga de los detalles de los detalles propensos. b) mejorar las características geométricas de la sección transversal

(fundamentalmente área e inercia) de los miembros en cuestión (vigas principales, transversales, largueros, etc.).

Principales métodos de reparación y rehabilitación, Figuras 7-10.

Tratamiento superficial (amolado y perfilado de soldaduras). Arrestadores de fisuras (agujero perforado en las puntas de las fisuras). Reparación de soldadura y re-soldeo. Empalmes abulonados. Modificación de detalles, p. ej. agujero/s (despejes) en la intersección de

soldaduras. Postesado externo (acero o FRP). Composición estructural (hormigón-acero). Refuerzo estructural (acero o FRP).

En los casos de tratamiento de superficies, re-soldeo, perforaciones en puntas de fisuras, etc., el objetivo principal es mejorar el desempeño a la fatiga de un detalle en particular y, así, aumentar la resistencia general a la fatiga del miembro intervenido. En el caso de incrementar la sección estructural resistente mediante postesado externo, composición estructural o refuerzo estructural, el objetivo principal es mejorar las características geométricas de la sección transversal del miembro con el fin de disminuir los rangos de tensiones (y, por ende, los rangos del factor de intensidad de tensiones).

Figura 7. Ejemplos de métodos de reparación. Izq.: perfilado de filete de soldadura.

Der.: arrestadores de fisuras mediante agujeros perforados (obtenido de [3]).

Figura 8. Ejemplo de refuerzo de una viga de acero mediante el agregado de

sección de acero (obtenido de [4])

Figura 9. Ejemplo de refuerzo de una viga de acero mediante la composición

estructural hormigón-acero (obtenido de [4])

Figura 10. Ejemplo de refuerzo de viga de acero de alma calada mediante postesado

externo (obtenido de [4])

Figura 11. Ejemplo de refuerzo de viga de acero mediante postesado externo con

fibras FRP (obtenido de [14])

Mantenimiento y Monitoreo de Salud Estructural (Structural Health Monitoring (SHM))

Mantenimientos preventivo y correctivo.

Las Figuras 12-13 muestran la evolución del estado de conservación y confiabilidad del puente a lo largo del tiempo y la diferencia en el desempeño estructural con o sin mantenimiento preventivo en momentos oportunos, durante la vida útil.

Figura 12. Condición del puente a lo largo del tiempo de servicio (obtenido de [5])

Figura 13. Comparación de la evolución de la condición (confiablidad estructural) del

puente con y sin mantenimiento (obtenido de [5])

Monitoreo de la Salud Estructural Es un eficaz y “moderno” método, de gran auge en el mundo, para obtener datos útiles (conteo de tráfico, espectro de cargas, deformaciones cíclicas, frecuencias de vibración, etc., etc) directamente de las condiciones de funcionamiento de la estructura, a través de diversos dispositivos de medición (acelerómetros, strain gauges, sensores, etc.), con el fin de calibrar y validar los análisis estructurales, principalmente los realizados mediante el método de elementos finitos. En este sentido, particularmente para la evaluación de la fatiga, los detalles propensos a la fatiga se instrumentan mediante strain gauges para obtener las deformaciones cíclicas reales (en cantidad y magnitud).

Figura 14. Ejemplo de detalle propenso a fatiga (hot-spot) (obtenido de [6])

Figura 15. Ejemplo de strain gauges soldables aplicados a una viga de acero

(obtenido de [3]).

Fases de análisis utilizando las herramientas del monitoreo de salud estructural.

Monitoreo de la Salud Estructural

Localización y detalles propensos a fatiga (hot spot). o Inspecciones de campo. o Ensayos no destructivos, principalmente, en uniones. o Modelización por elementos finitos / análisis estructurales global y local.

Mediciones de campo / Calibración de modelos de elementos finitos o Valores reales de las cargas de uso y frecuencias de cargas: contadores

de tráfico y sensores. o Deformaciones dinámicas: sensores láser y potenciómetros. o Frecuencias propias: acelerómetros o Espectro de rango de tensiones: strain gauges uniaxiales.

Evaluación a fatiga:

Análisis estructural. o Espectro de cargas y contabilización de ciclos. Deformación cíclica en

detalles propensos a fatiga, etc. o Calibración y validación de modelos de elementos finitos.

Análisis de daño acumulado por fatiga.

o Periodo de iniciación de fisuras (K < Kth). Curvas S-N. Método de Rainflow para la obtención de los rangos de tensiones equivalentes constantes. Regla de Palmgren – Miner.

o Periodo de propagación de fisuras (K ≥ Kth). Análisis mediante la Mecánica de Fractura Elástica Lineal. Ley de Paris.

Pronóstico de daño.

Vida útil remanente. Ciclos remanentes desde una longitud de fisura inicial detectada o supuesta hasta alcanzar la longitud crítica de dicha fisura.

 

Figure 16. Croquis evaluación mediante el Monitoreo de Salud Estructural

Asimismo, debe destacarse que los procesos de mantenimientos preventivo y correctivo, debieran contemplar la tasa de crecimiento de fisuras, la cual no es lineal, Figura 17. En ese sentido, intervalos más cortos entre procesos debieran planearse, a medida que avanza la vida de servicio de estas estructuras. Esta estrategia posibilitará mantener a las estructuras, confiables para su uso, más allá de su vida útil prevista de diseño. En puentes de gran envergadura funcional y/o estructural, en los cuales se justifique técnica, operativa y económicamente la instrumentación y procesamiento de datos, es posible implementar procesos de monitoreo de la salud estructural con el fin de ajustar los diagnósticos realizados mediante estimaciones analíticas y, con ello, minimizar las intervenciones a realizar sobre dichas estructuras.

Figure 17. Tasa exponencial de crecimiento de una fisura con los ciclos de carga (obtenido de [13]) y curvas perfomance – tiempo según las tareas de manteamiento.

Conclusiones.

Una gran cantidad de puentes ferroviarios existentes de acero poseen su vida útil técnicamente caduca. Por su antigüedad, no se han diseñado ni construido siguiendo los criterios “actuales” (posteriores a la década del 70) de análisis de fractura y fatiga. Este hecho supone un problema técnico y operativo que ocurre en prácticamente todos los países desarrollados y en vías de desarrollo. Sin embargo, es conveniente y técnicamente justificable frente a la alternativa del reemplazo, restablecer y extender su vida útil a valores convenientes a través de una adecuada inspección, un diagnóstico estructural profundo, tareas posteriores de mantenimiento y, eventualmente de acuerdo a los resultados de los análisis resistentes y fractomecánicos realizados, mediante trabajos de rehabilitación estructural, en general, leves o moderados. Asimismo, en estructuras de gran envergadura funcional y estructural, existen las herramientas para el monitoreo de salud estructural que permiten ajustar y calibrar los análisis estructurales mediante la obtención de datos directamente del funcionamiento de la estructura y, con ello, minimizar las cuantías de las intervenciones. Referencias. [1] Bowman, M., and Piskorowski, A. FHWA/IN/JTRP-2004/4 Evaluation and Repair

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[10] Connor, R., and Fisher, J. Identifying Effective and Ineffective Retrofits for Distortion Fatigue Cracking in Steel Bridges Using Field Instrumentation. Journal of Bridge Engineering, Vol. 11, No. 6, 745–752. 2006.

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[12] Connor R. J., and Lloyd J. B. Maintenance Actions to Address Fatigue Cracking in Steel Bridge Structures - Proposed Guidelines and Commentary. NCHRP Project 20-07, Task 387. 2017.

[13] Fisher, J. W., and Kulak, G. L., Smith, I. F. C. A Fatigue Primer for Structural Engineers. NSBA. 1998

[14] Robert Sonnenscheina, Katarina Gajdosovaa, Ivan Hollya FRP Composites and Their Using in the Construction of Bridges. World Multidisciplinary Civil Engineering-Architecture-Urban Planning Symposium 2016, WMCAUS 2016