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“EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO
QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE
CORROSION”
Darío Alfonso Molano Sánchez, IC
Trabajo presentado como requisito para optar al título de
Magister en Ingeniería Civil con Énfasis en Estructuras
Director:
Federico Alejandro Núñez Moreno, IC, MSE, Ph.D
PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL
BOGOTÁ D.C.
2014
2
Agradecimientos
Le agradezco a Dios por haberme acompañado y guiado a lo largo de mi carrera, por ser
mi fortaleza en los momentos de debilidad y por brindarme una vida llena de aprendizajes,
experiencias y sobre todo felicidad.
Le doy gracias a mis padres por apoyarme en todo momento, por los valores que me han
inculcado, y por haberme dado la oportunidad de tener una excelente educación en el
transcurso de mi vida. Sobre todo por ser un excelente ejemplo de vida a seguir, también a
mis hermanos por ser parte importante de mi vida y representar la unidad familiar.
Le agradezco la confianza, apoyo y dedicación de tiempo al ingeniero Federico Alejandro
Núñez Moreno, por guiarme en el desarrollo de esta tesis, haberme tenido la paciencia
necesaria, por motivarme a seguir adelante en los momentos de desesperación, por haber
compartido conmigo sus conocimientos y sobre todo por su amistad.
3
“FATIGUE EVALUATION OF EXISTING BRIDGE STEEL ARC REHABILITADOS
THAT HAVE BEEN AND / OR PRESENT PROBLEMS OF CORROSION”
Abstract
Currently in Colombia there is no fatigue standard for Steel bridges although the appearance
of fatigue and corrosion in some bridges, which makes a necessity of new local investigation
that improves lack of knowledge to avoid partial or complete collapses. The main purpose of
this work is to present a methodology to evaluate fatigue in arch steel bridges, with elements
or connections that present corrosion. Also, some assumed scenarios of bridge conditions in
several projects, are presented and made pass through the methodology to find a set of
activities that will ultimately end up in the determination of the remanent fatigue life. This
methodology assumes joint fatigue and corrosion damage affecting main elements of the
bridge. This will help in a decision making process of prioritization, that might suggest
bridge retrofitting or bridge posting for repairs.
Keywords:
Fatigue, stress, fracture, crack, corrosion, average daily traffic, finite element software,
remaining life.
“EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO
QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE
CORROSION”
Resumen
Actualmente en Colombia no existe una norma para la revisión de fatiga de puentes de acero
aunque se han encontrado fisuras de fatiga acompañadas con corrosión en algunos puentes,
por lo que es necesario una nueva investigación local que mejore la falta de conocimiento
para evitar colapsos parciales o totales. El objetivo principal de este trabajo es presentar
una metodología para evaluar la fatiga en los puentes de acero en arco, con elementos o
conexiones que presentan síntomas de corrosión. Además, se presentan algunos de los
escenarios supuestos de condiciones de los puentes en varios proyectos y se hicieron pasar
a través de la metodología bajo un conjunto de actividades que en última instancia van a
terminar en la determinación de la vida remanente a fatiga. Esta metodología supone daños
por fatiga y corrosión que afectan a las articulaciones principales de los elementos del
puente. Esto ayudará en un proceso de toma de decisiones de priorización, que podría
sugerir reforzamiento del puente o determinar las reparaciones.
Palabras clave:
Fatiga, tensión, fractura, grieta, corrosión, tránsito promedio diario, software de elementos
finitos, vida remanente.
4
Tabla de contenido
INTRODUCCION ......................................................................................................... 14
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION ........................................................................ 15
OBJETIVOS .................................................................................................................. 33
MARCO TEORICO ....................................................................................................... 34
4.1. Teoría de la mecánica de la fractura ..................................................................... 37
4.1.1. Crecimiento de grieta. .................................................................................... 38
4.2. Corrosión con fatiga .............................................................................................. 39
METODOLOGIA EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN
ARCO .................................................................................................................................... 41
5.1. Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga y/o
corrosión ........................................................................................................................... 41
5.1.1. El Arco ............................................................................................................ 42
5.1.2. La viga de rigidez ........................................................................................... 42
5.1.3. Los pendolones o péndolas ............................................................................. 43
5.2. Cargas variables en el tiempo ............................................................................... 43
5.3. Patología Estructural............................................................................................. 43
5.3.1. Inspección visual por daños fatiga y/o corrosión .......................................... 43
5.3.1.1. Zonas de inspección visual de mayor importancia en puentes de arco .. 44
5.3.1.1.1. Conexiones remachadas ....................................................................... 44
5.3.1.1.2. Conexiones soldadas ............................................................................ 45
5.3.1.1.3. Conexiones con tornillos ...................................................................... 46
5.3.1.1.4. Láminas de unión o cartelas ................................................................. 47
5.3.1.1.5. Arco ...................................................................................................... 47
5.3.1.1.6. Pendolón ............................................................................................... 47
5.3.1.1.7. Viga de rigidez ...................................................................................... 47
5.3.1.1.8. Arriostramientos ................................................................................... 48
5.3.1.1.9. Apoyos .................................................................................................. 48
5.3.1.2. Verificación de espesores de soldadura filete ......................................... 49
5.3.2. Ensayos No Destructivos ................................................................................ 49
5.3.2.1. Medidor de espesor remanente de acero estructural .............................. 49
5
5.3.2.2. Medidor de espesor de pintura................................................................ 50
5.3.2.3. Verificación de torque en pernos o tornillos ........................................... 51
5.3.2.4. Verificación de remaches ........................................................................ 51
5.3.2.5. Pruebas de sanidad ................................................................................. 51
5.3.2.6. Tintas penetrantes ................................................................................... 52
5.3.2.7. Partículas magnéticas ............................................................................. 53
5.3.2.8. Ensayos de radiografía ........................................................................... 54
5.3.2.9. Ultrasonido.............................................................................................. 54
5.3.3. Ensayos Destructivos ...................................................................................... 55
5.3.3.1. Ensayo de fatiga ...................................................................................... 55
5.3.3.2. Ensayo de resistencia a la tensión .......................................................... 56
5.3.3.3. Ensayo de contenido químico .................................................................. 57
5.3.3.4. Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del
acero. 58
5.4. Información de primera categoría ......................................................................... 58
5.5. Información histórica y actual del tránsito ........................................................... 59
5.5.1. Transito promedio diario (TPD) .................................................................... 59
5.5.2. Histórico, tendencias y crecimiento ............................................................... 59
5.5.3. Aforos en campo ............................................................................................. 59
5.5.4. Sistemas de pesaje .......................................................................................... 60
5.6. Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación . 60
5.7. Evaluación de la vida a fatiga ............................................................................... 61
5.8. Fatiga acompañada por corrosión ........................................................................ 66
Casos de aplicación de la metodología propuesta a escenarios probables de puentes
en arco. ................................................................................................................................. 68
6.1. Puente del Sisga (Cundinamarca). ........................................................................ 68
6.1.1. Patología estructural ...................................................................................... 69
6.1.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 69
6.1.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 69
6.1.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 69
6.1.2. Información de primera categoría ................................................................. 69
6
6.1.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 70
6.1.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 70
6.1.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 70
6.1.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 70
6.2. Puente de Istmina (Choco)..................................................................................... 70
6.2.1. Patología estructural ...................................................................................... 71
6.2.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 71
6.2.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 71
6.2.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 72
6.2.2. Información de primera categoría ................................................................. 72
6.2.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 72
6.2.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 72
6.2.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 72
6.2.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 72
6.3. Puente Forsmo sobre el rio Aangermann (Forsmo Järnvägsbron en Suecia). ..... 73
6.3.1. Patología estructural ...................................................................................... 73
6.3.1.1. Inspección Visual. ................................................................................... 73
6.3.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 74
6.3.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 74
6.3.2. Información de primera categoría ................................................................. 74
6.3.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 74
6.3.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 74
6.3.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 75
6.3.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 75
6.4. Puente sobre el rio Vindel hacia Holmforsen en Rödåsel Suecia. ........................ 75
6.4.1. Patología estructural ...................................................................................... 76
6.4.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 76
6.4.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 76
6.4.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 76
6.4.2. Información de primera categoría ................................................................. 76
6.4.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 77
7
6.4.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 77
6.4.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 77
6.4.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 77
6.5. Puente Quebrada Blanca (Cundinamarca). (Ver figura 6.5 y anexo No. 6). ........ 77
6.5.1. Patología estructural ...................................................................................... 78
6.5.1.1. Inspección Visual .................................................................................... 78
6.5.1.2. Ensayos no destructivos .......................................................................... 78
6.5.1.3. Ensayos destructivos ............................................................................... 78
6.5.2. Información de primera categoría ................................................................. 79
6.5.3. Información histórica y actual del tránsito .................................................... 79
6.5.4. Determinación de esfuerzos............................................................................ 79
6.5.5. Caracterización a fatiga del metal base ......................................................... 79
6.5.6. Vida remanente a fatiga ................................................................................. 79
Validación Metodológica, Puente Quebrada Blanca ................................................... 80
7.1. Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga y/o
corrosión ........................................................................................................................... 81
7.2. Cargas variables en el tiempo ............................................................................... 81
7.3. Patología Estructural............................................................................................. 81
7.4. Información de primera categoría. ...................................................................... 106
7.4.1. Modelo estructural ....................................................................................... 106
7.5. Información histórica y actual del tránsito ......................................................... 117
7.6. Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación .....
.............................................................................................................................. 121
7.6.1. Simulación numérica .................................................................................... 121
7.7. Determinación de la vida remanente de los diferentes elementos estructurales de
la súper-estructura del puente Quebrada Blanca. .......................................................... 126
7.7.1. Ejemplo de Cálculo de Rango de Esfuerzos ................................................. 126
7.7.2. Distribuciones de probabilidad de Rango de Esfuerzos .............................. 134
7.7.2.1. Distribución de Probabilidad Beta General para la Diagonal de entrada
............................................................................................................... 134
7.7.2.2. Distribución de Probabilidad Normal para el Cordón Inferior ........... 135
7.7.2.3. Distribución de Probabilidad Normal para la Viga Transversal ......... 136
8
7.7.2.4. Distribución de Probabilidad Triangular para el Arco ........................ 136
7.7.2.5. Distribución de Probabilidad Log Normal para el Cordón Superior .. 137
7.7.2.6. Distribución de Probabilidad Log Logística para el Pendolón ........... 138
7.7.3. Cantidad de ciclos necesaria para llevar cada elemento estructural a
mecanismos de fatiga. ................................................................................................. 139
7.7.4. Fatiga acompañada de corrosión................................................................. 140
7.8. Propiedades dinámicas del Puente de Quebrada Blanca .................................... 147
Análisis de resultados al aplicar la metodología propuesta del puente de Quebrada
Blanca. ................................................................................................................................ 155
Conclusiones ............................................................................................................... 157
Recomendaciones .................................................................................................... 160
Anexos ...................................................................................................................... 162
Referencias Bibliográficas ...................................................................................... 163
9
Tabla de Figuras
Figura 4.1 Diagrama S-nc o diagrama de Wöhler. Fuente Adaptada (Shigley, 2011). .................... 34
Figura 4.2 Modos de apertura de grieta: a) modo I, b) modo II y c) modo III. (Restrepo & others,
2013) ................................................................................................................................................ 37
Figura 4.3 Evolución de la longitud de grieta frente al número de ciclos Fuente Adaptada (Shigley,
2011). ............................................................................................................................................... 38
Figura 4.4 Ritmo de crecimiento de grieta frente a ΔK. Fuente Adaptada (Shigley, 2011). ............ 39
Figura 5.1 Tipología puente en arco. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012 ..................... 42
Figura 5.2 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 45
Figura 5.3 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 45
Figura 5.4 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero. ........... 46
Figura 5.5 Apoyo tipo rodillo de acero. ........................................................................................... 48
Figura 5.6 Apoyo tipo balancín de acero. ........................................................................................ 48
Figura 5.7 Apoyo fijo de acero......................................................................................................... 49
Figura 5.8 Apoyo tipo rodillo de acero. ........................................................................................... 49
Figura 5.9 Equipo para medir el espesor remanente de acero......................................................... 50
Figura 5.10 Equipo para medir el espesor remanente de acero....................................................... 50
Figura 5.11 Medidor de espesor de pintura en puente ..................................................................... 50
Figura 5.12 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 52
Figura 5.13 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 52
Figura 5.14 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. ...................................... 53
Figura 5.15 Ensayo tintas penetrantes. ........................................................................................... 53
Figura 5.16 b) Efecto de la densidad del material en la transmisión de radiación. ........................ 54
Figura 5.17 a) Efecto del espesor de la parte en la transmisión de radiación. ............................... 54
Figura 5.18 Equipo Quantum QBT+2 y falla en la soldadura para prueba de ultrasonido. ............ 55
Figura 5.19 Realización de la prueba de ultrasonido. Regional Huila. ........................................... 55
Figura 5.20 Probetas obtenidas del acero del puente de Cajamarca, maquinadas en los
laboratorios del Illinois Institute of Tecnology, Chicago, IL, USA................................................... 55
Figura 5.21 Maquina de fatiga tipo R.R. Moore del Illinois Institute of Tecnology, Chicago, IL,
USA. Donde se hicieron los ensayos del puente Cajamarca ............................................................ 55
Figura 5.22 .Zona de extracción de muestras del Puente Cajamarca, justo después del uso del
oxicorte. ........................................................................................................................................... 56
Figura 5.23 Zona reparada y pintada, para evitar la producción de discontinuidades ................... 56
Figura 5.24 Equipo para extracción de muestra de acero para ensayo de tensión y contenido
químico............................................................................................................................................. 57
Figura 5.25 Muestra de ensayo de contenido químico y tensión. ..................................................... 57
Figura 5.26 Valores de m y c para elementos de acero en puentes. ................................................. 62
Figura 5.27 Valores de m y c para elementos de acero en puentes. ................................................. 63
Figura 6.1 Puente del Sisga ............................................................................................................. 68
Figura 6.2 Puente de Istmina (Choco) ............................................................................................. 71
Figura 6.3 The Forsmo Bridge (Forsmo Järnvägsbron in Swedish) is a railway bridge over the
Aangermann River in Northern Sweden. Tomada de http://en.wikipedia.org .................................. 73
Figura 6.4 Figura Bridge over the Vindel river at Holmforsen in Rödåsel Sweden. ........................ 75
Figura 6.5 Puente Quebrada Blanca ............................................................................................... 78
10
Figura 7.1 Ubicación del puente Quebrada Blanca. Fuente propia ................................................ 80
Figura 7.2 Limpieza inicial de Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el arco para END. .. 83
Figura 7.3 Aplicación de tintas penetrantes. .................................................................................... 83
Figura 7.4 Inspección y evaluación de soldadura. ........................................................................... 83
Figura 7.5 Limpieza del elemento del cordón inferior. .................................................................... 84
Figura 7.6 Verificación soldadura cara anterior. ............................................................................ 84
Figura 7.7 Falta de llenado con material de aporte en la soldadura. .............................................. 84
Figura 7.8 Verificación soldadura cara posterior............................................................................ 84
Figura 7.9 Soldadura en la cartela vertical con apariencia irregular. ............................................ 85
Figura 7.10 Soldadura con socavado excesivo. ............................................................................... 85
Figura 7.11 Garganta insuficiente 40 mm........................................................................................ 85
Figura 7.12 Discontinuidades en la soldadura de 15 mm. ............................................................... 85
Figura 7.13 Garganta insuficiente 15 mm........................................................................................ 86
Figura 7.14 Verificación de soldaduras. .......................................................................................... 86
Figura 7.15 Acumulación de agua y vegetación en las diagonales del cordón inferior por mal
estado de las juntas. ......................................................................................................................... 86
Figura 7.16 Acumulación de agua y vegetación en el cordón inferior por mal estado de las juntas.
......................................................................................................................................................... 87
Figura 7.17 Limpieza para posterior verificación de soldaduras .................................................... 87
Figura 7.18 Soldaduras de filete presentan buena apariencia y no se evidencia corrosión. ............ 87
Figura 7.19 Vigas transversales y longitudinales presentan corrosión. ........................................... 88
Figura 7.20 Corrosión producida por entrada permanente de aguas pluviales. .............................. 88
Figura 7.21 Corrosión en vigas transversales. ................................................................................ 88
Figura 7.22 Corrosión en vigas longitudinales. ............................................................................... 88
Figura 7.23 Diagonales del cordón inferior cuyas soldaduras presentaron garganta insuficiente. . 89
Figura 7.24 Diagonales del cordón cuyas soldaduras presentaron socavado excesivo y convexidad
excesiva. ........................................................................................................................................... 89
Figura 7.25 Soldaduras de filete que presentan socavado excesivo y convexidad excesiva. ........... 89
Figura 7.26 Soldaduras de filete vertical que muestran convexidad excesiva. ................................. 89
Figura 7.27 Verificación de soldaduras en el elemento de arco. ..................................................... 90
Figura 7.28 Verificación del refuerzo superior en el elemento de arco. .......................................... 90
Figura 7.29 Soldadura a tope en el refuerzo del arco presenta sanidad y buena apariencia. ......... 90
Figura 7.30 Verificación de soldaduras a tope en el elemento de arco. ........................................... 90
Figura 7.31 Refuerzo vertical del arco............................................................................................. 91
Figura 7.32 Soldadura de filete horizontal que presenta pierna y garganta insuficiente, porosidad y
socavado excesivo. ........................................................................................................................... 91
Figura 7.33 Uniones a tope vertical presentan garganta insuficiente y socavado excesivo. ............ 91
Figura 7.34 la soldadura de filete en las uniones verticales del refuerzo vertical del elemento de
arco, muestran garganta insuficiente, pierna insuficiente, socavado excesivo................................. 92
Figura 7.35 Limpieza inicial y secado de la soldadura. ................................................................... 92
Figura 7.36 Aplicación del revelador en la superficie de interés, no se presentan discontinuidades
mayores. ........................................................................................................................................... 92
Figura 7.37 Aplicación del Líquido Penetrante en la superficie de interés. .................................... 92
Figura 7.38 Limpieza del depósito de soldadura que presenta picado por corrosión para END. .... 93
11
Figura 7.39 END de tintas en donde no se presentan discontinuidades mayores. ........................... 93
Figura 7.40 Soldaduras de las bases de los rigidizadores se encuentran en buen estado. ............... 94
Figura 7.41 Base de los rigidizadores. ............................................................................................. 94
Figura 7.42 Apoyo tipo balancín completamente deformado. .......................................................... 94
Figura 7.43 Deformación de la aleta inferior del elemento de arco remachado. ............................. 95
Figura 7.44 Acumulación de partículas sólidas, vegetación y generación de oxidación. (Arco
nororiental). ..................................................................................................................................... 95
Figura 7.45 Acumulación de partículas sólidas, vegetación y generación de oxidación. (Arco
noroccidental). ................................................................................................................................. 95
Figura 7.46 Cara superior del elemento de arco con lámina de acero con soldadura de filete
discontinua ....................................................................................................................................... 96
Figura 7.47 Cara inferior del elemento de arco con lámina de acero con soldadura de filete
discontinua. ...................................................................................................................................... 96
Figura 7.48 Viga transversal en “I” del arco presenta una deformación por colisión. ................... 96
Figura 7.49 Las barras de acero de alta en ambos extremos presentan excentricidades entre 3 y 5
cm aproximadamente, y un grado de leve de corrosión. .................................................................. 97
Figura 7.50 Las barras de acero de alta resistencia presentan asimetría y un grado de leve de
corrosión.. ........................................................................................................................................ 97
Figura 7.51 Pandeo en los pendolones del centro de la luz. ............................................................ 98
Figura 7.52 Pandeo en los pendolones del centro de la luz con falta de alineación de los cables. .. 98
Figura 7.53 Soldaduras de filete en las uniones verticales del refuerzo vertical presentan, pierna
insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte. .......................................................................... 99
Figura 7.54 Soldaduras de filete en la base y en las uniones verticales, muestran garganta
insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte. .......................................................................... 99
Figura 7.55 Funcionamiento inadecuado de las juntas con fractura de las mismas, las cuales
permiten la filtración de agua y por ende la corrosión. ................................................................. 100
Figura 7.56 Funcionamiento inadecuado de las juntas con fractura de las mismas, descomposición
y fractura del concreto aledaño a las juntas las cuales permiten la filtración de agua y por ende la
corrosión. ....................................................................................................................................... 100
Figura 7.57 Corrosión generada por la filtración de agua debido a la fractura de las juntas. .... 101
Figura 7.58 Corrosión generada por la filtración de agua debido a la fractura de las juntas
próximas al apoyo. ......................................................................................................................... 101
Figura 7.59 Corrosión en vigas tanto longitudinales como transversales, generada por la filtración
de agua debido a la fractura de las juntas próximas al apoyo. ..................................................... 102
Figura 7.60 Corrosión excesiva y pérdida de sección, generada por la filtración de agua debido a
la fractura de las juntas próximas al apoyo. .................................................................................. 102
Figura 7.61 Corrosión excesiva con pérdida de sección y soldaduras con garganta insuficiente,
pierna insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte. ............................................................ 103
Figura 7.62 Corrosión en el cordón inferior y en las diagonales, generada por la filtración de agua
debido a la fractura de juntas. ...................................................................................................... 103
Figura 7.63 Corrosión y agrietamiento del concreto en proximidades a la placa. ........................ 104
Figura 7.64 Corrosión en una de las diagonales que soporta los pendolones. .............................. 104
Figura 7.65 Agua estancada en la viga principal media. Afectación por corrosión. .................... 104
Figura 7.66 Tres Camiones C3-S2 represados en el puente........................................................... 105
12
Figura 7.67 Sobrecarga en el puente Quebrada Blanca con camiones tipo C3-S2 y otros en ambos
sentidos. ......................................................................................................................................... 105
Figura 7.68 Modelo 3D en AutoCAD del Puente Quebrada Blanca .............................................. 106
Figura 7.69 Modelo 3D en AutoCAD Vista en Planta.................................................................... 107
Figura 7.70 Modelo 3D en AutoCAD Vista de Perfil ..................................................................... 107
Figura 7.71 Modelo 3D en AutoCAD Vista Fronta ........................................................................ 107
Figura 7.72 Definición de las propiedades del Acero en SAP 2000 ............................................... 108
Figura 7.73 Definición de las propiedades del Concreto en SAP 2000.......................................... 109
Figura 7.74 Modelo 3D en SAP 2000 ............................................................................................ 110
Figura 7.75 Modelo de elementos finitos del Puente de Quebrada Blanca en Sap 2000 ............... 110
Figura 7.76 Diseño del cordón superior en SAP 2000 ................................................................... 111
Figura 7.77 Diseño del cordón inferior en SAP 2000 .................................................................... 112
Figura 7.78 Diseño de las diagonales en SAP 2000....................................................................... 113
Figura 7.79 Diseño de la viga transversal en SAP 2000 ................................................................ 114
Figura 7.80 Diseño del Arco en SAP 2000 ..................................................................................... 115
Figura 7.81 Diseño de los pendolones en SAP 2000 ...................................................................... 116
Figura 7.82 Diseño de la viga transversal al Arco en SAP 2000 ................................................... 117
Figura 7.83 Aforos. Figura 7.84 Aforos en campo. ............................................................. 118
Figura 7.85 Comportamiento histórico del ADTT ......................................................................... 120
Figura 7.86 Parámetro b de distribución del tránsito pesado sobre el puente. Adaptado Fuente
AASHTO 2011. ............................................................................................................................... 121
Figura 7.87 Camión tipo C2, con las cargas por eje en toneladas. ............................................... 122
Figura 7.88 Camión tipo C3-S2, con las cargas por eje en toneladas. .......................................... 122
Figura 7.89 Camión tipo C3-S3, con las cargas por eje en toneladas. .......................................... 122
Figura 7.90 Líneas de carga definidas en SAP 2000 ..................................................................... 123
Figura 7.91 Definición en SAP 2000 de las cargas del vehículo C3-S2. ........................................ 124
Figura 7.92 Definición en SAP 2000 de las cargas del vehículo C3-S3. ........................................ 124
Figura 7.93 Simulación numérica del paso de camiones en el puente según el ADTT en un Δt. .... 125
Figura 7.94 Simulación numérica del paso de camiones por el puente según el ADTT en un Δt
diferente. ........................................................................................................................................ 125
Figura 7.95 Ejemplo de cálculo del rango de esfuerzos en un Δt = 110 s, de una de las diagonales
....................................................................................................................................................... 126
Figura 7.96 Diagonal, esfuerzo vs tiempo en Δt= 100 s ................................................................ 127
Figura 7.97 Diagonal, esfuerzo vs tiempo ...................................................................................... 128
Figura 7.98 Cordón Inferior, esfuerzo vs tiempo ........................................................................... 129
Figura 7.99 Viga transversal, esfuerzo vs tiempo .......................................................................... 130
Figura 7.100 Arco, esfuerzo vs tiempo. .......................................................................................... 131
Figura 7.101 Cordón superior, esfuerzo vs tiempo. ....................................................................... 132
Figura 7.102 Pendolón, esfuerzo vs tiempo ................................................................................... 133
Figura 7.103 Distribución Beta General - Diagonal de entrada.................................................... 135
Figura 7.104 Distribución Normal – Cordón Inferior ................................................................... 135
Figura 7.105 Distribución Normal – Viga Transversal.................................................................. 136
Figura 7.106 Distribución Triangular – Arco ................................................................................ 137
Figura 7.107 Distribución Log normal – Cordón Superior............................................................ 137
13
Figura 7.108 Distribución Log logística - Pendolón ...................................................................... 138
Figura 7.109 Vida Remanente vs Corrosión Diagonal de entrada................................................. 141
Figura 7.110 Vida Remanente vs Corrosión Cordón inferior. ....................................................... 142
Figura 7.111 Vida Remanente vs Corrosión Viga transversal. ...................................................... 143
Figura 7.112 Vida Remanente vs Corrosión en el Arco. ................................................................ 144
Figura 7.113 Vida Remanente vs Corrosión Cordón Superior....................................................... 145
Figura 7.114 Vida Remanente vs Corrosión Pendolón. ................................................................. 146
Figura 7.115 Propiedades dinámicas del cordón superior ............................................................ 148
Figura 7.116 Propiedades dinámicas del cordón inferior .............................................................. 149
Figura 7.117 Propiedades dinámicas de las diagonales ................................................................ 150
Figura 7.118 Propiedades dinámicas de las vigas transversales ................................................... 151
Figura 7.119 Propiedades dinámicas de los arcos ........................................................................ 152
Figura 7.120 Propiedades dinámicas de los pendolones ............................................................... 153
Figura 7.121 Propiedades dinámicas de la combinación de los elementos estructurales .............. 154
14
INTRODUCCION
La intención de este trabajo de investigación es la de estudiar e introducir una metodología
de evaluación de fatiga de puentes en arco hechos de acero que hayan sido rehabilitados y/o
presenten problemas de corrosión, ya que en Colombia no existe una metodología clara de
este tipo. Dichas estructuras están sometidas a cargas cíclicas las cuales en la mayoría de los
casos son las causantes de la propagación de fallas en el acero algunas de difícil detección,
como es el caso de la fatiga. Debido a lo anterior se hace necesario desarrollar una
metodología de evaluación de fatiga de una forma ajustada a la normativa, la investigación
vigente y de manera aplicable no solo para Colombia si no que sea referente de comparación
a nivel mundial.
En esta metodología se presentan los diferentes procedimientos de inspección visual usados
en la práctica con el fin de determinar la naturaleza y la magnitud de los problemas
observados, identificando los miembros afectados por problemas como corrosión, fatiga,
deformación por lo que se hace indispensable realizar un recorrido de la estructura para así
poder tener un registro lo más preciso posible de los diferentes daños que allí se pueden
presentar. También se considera el uso de ensayos no destructivos los cuales brindan ayuda
para identificar las zonas en donde sería mucho más conveniente realizar otro tipo de
investigación como es el caso de los ensayos destructivos. La metodología además indica
que tipos de ensayos son más apropiados para poder determinar detalles adicionales como la
influencia de los puntos de soldadura en uniones remachadas que pueden inducir a falla por
fatiga como también ver de esta manera en qué estado se encuentran cada uno de los
elementos y conexiones que conforman la superestructura de un puente en acero. También
se tiene en cuenta los efectos de la corrosión en cada uno de los elementos de la estructura
del puente, fenómeno sumamente importante ya que afecta la estructura de una manera
significativa y que es difícil de modelar. Además se incluye la gran variación de los efectos
de las cargas de los camiones en las diferentes estructuras de los puentes mediante simulación
o monitoreo de cargas así como la tasa de crecimiento del tránsito y el rango de esfuerzos
para poder de esta manera predecir de una manera aproximada, la vida remanente a fatiga de
cada uno de los elementos estructurales de un puente de acero, herramienta de gran uso para
priorizar reparaciones y/o mantenimiento.
No obstante también en este trabajo de investigación se validó la propuesta metodológica
por medio de la aplicación de ésta a un puente de acero en arco de la red vial nacional en
Colombia donde se realizó una inspección visual y se desarrollaron algunos ensayos no
destructivos. Además se hizo un levantamiento topográfico, geométrico y estructural de
dicho puente, para de esta manera obtener un modelo de elementos finitos y mediante los
resultados del estudio de tránsito realizado en el puente por medio del (TPD) tránsito
promedio diario y la realización de un análisis probabilístico, poder generar con esto y con
la ayuda del modelo de elementos finitos una simulación numérica de acuerdo con las cargas
reales de las diferentes geometrías de camiones. Se determinó de esta manera de acuerdo con
la metodología planteada en este trabajo de investigación la vida remanente a fatiga de cada
uno de los elementos estructurales estudiados incluyendo efectos de corrosión de manera
general y el estudio paralelo de las propiedades dinámicas del mismo. Los resultados
muestran la sensibilidad de las variables estudiadas y las capacidades de la metodología para
tener en cuenta el efecto de la corrosión aproximada en la vida de fatiga.
15
ANTECEDENTES Y JUSTIFICACION
La fatiga de las estructuras se evidenció como producto de la revolución industrial en el siglo
XIX. La fatiga fue reconocida como un fenómeno de fractura progresivo y acumulativo que
ocurre después de un gran número de ciclos de carga. Las fallas por fatiga fueron asociadas
frecuentemente con máquinas de vapor, locomotoras y bombas. Los primeros estudios
sistemáticos de fatiga fueron desarrollados especialmente por el ingeniero de ferrocarriles el
alemán August Wöhler, (Schijve, 2003).
Los primeros trabajos relacionados con fatiga corresponden a los del ingeniero de minas
alemán W. Albert quien en 1829 realizó ensayos de este tipo y en 1839 Poncelet es quien
introduce el término fatiga para designar el fallo de los materiales debidos a cargas
repetitivas. Debido a un accidente de ferrocarril ocurrido en Versalles (Francia) en el que
murieron murieron entre 1500 y 1800 personas, se inicia el primer estudio de fatiga en
metales en 1842.(Soleto Ramos, 2011). Un año después el ingeniero Britanico W.J.M.
Rankie es quien reconoce las características distintivas de la fractura por fatiga. En 1874, el
ingeniero alemán H. Gerber fue quien comenzó a desarrollar métodos para el diseño a fatiga;
Goodman y Soderberg aborda problemas similares incluyendo cambios en la naturaleza de
tensión o compresión de la carga (Bannantine, Comer, & Handrock, s. f.). En 1886
Bauschinger confirma muchos de los resultados anteriores de Wöhler. En 1903 Ewing y
Humfrey observan la formación de microgrietas en materiales. En 1913 el análisis de
tensiones de Inglis y el concepto energético de Griffith en 1921 aportaron el tratamiento
cuantitativo de la fractura frágil. Las investigaciones realizadas por Palmgren en 1924 y
Miner en 1945 permitieron el desarrollo de los modelos de daño acumulado para poder
predecir el fallo por fatiga (Miner, 1945) . En la década de los 60 Coffin y Manson establecen
la denominada relación Coffin-Manson que es el método de caracterización de fatiga basado
en las deformaciones utilizado más ampliamente. En 1957 con los estudios de Irwin y con
el desarrollo de la mecánica de la fractura se intentó caracterizar el crecimiento de las grietas
de fatiga en términos del factor de intensidad de tensiones. Luego con Paris y Erdogan se
desarrolla el mayor aporte a la mecánica de la fractura, en la que el factor de intensidad de
tensiones es conveniente para caracterizar la propagación de la grieta (González Herrera,
2004).
Como antecedente de fallo de puentes se pueden citar los ocurridos en Inglaterra, Estados
Unidos y Australia.
La falla en 1847 del puente de Dee diseñado por Robert Stephenson en Cheshire, Inglaterra.
(Petroski, 1994) el Ingeniero Stephenson empleó una técnica de vigas de celosía que había
sido adoptada por otros puentes de ferrocarril. Antes que el puente de Dee, el principio no
había sido aplicado a vigas de más de 88 ft cada una. El puente de Dee fue diseñado con
vanos de 98 ft cada uno. La causa más probable de la falla del puente fue una grieta de fatiga
o inestabilidad de pandeo por torsión a la que las vigas de puente estaban predispuestas por
las cargas de compresión introducidas por las diagonales excéntricas sobre la viga.
El 29 de diciembre de 1876, el puente de ferrocarril de hierro construido entre 1863-1865 en
Ashtabula, Ohio, se derrumbó después de 11 años de servicio, muy probablemente debido a
16
la fatiga y rotura frágil a una falla en un elemento de hierro fundido. (Gasparini & Fields,
1993).
En 1963, el puente King’s en Melbourne, construido sobre el rio Yarra (Australia) en 1961 y
12 meses después de ofrecer un servicio continuo, colapso. Era un puente que estaba
construido por cuatro vigas de acero de sección I y una platina de refuerzo en la aleta inferior
de cada viga. La platina no fue construida en toda la longitud de las vigas y en el punto de
terminación se produjo una concentración de esfuerzos y la posterior falla por fatiga.
(Madison & Irwin, 1971).
El deterioro de los puentes metálicos en el caso Colombiano, está relacionado con fatiga y
ha causado ya en el pasado colapsos en la estabilidad de las estructuras provocando
inseguridad vial y comprometiendo de manera muy seria el transporte de pasajeros y
mercancías. (Pescadero-1996, Purnio - 1996, Recio-1998 entre otros) / (Muñoz. E, 2004).
El fenómeno de fatiga también puede afectar las conexiones de los elementos de un puente.
A continuación se presentan referentes de algunos casos de estudio sobre solamente fatiga en
elementos y conexiones remachadas (\AAkesson, 1994), cuya investigación se basó en el
estudio de los siguientes aspectos:
El estudio de la vida de fatiga de puentes de ferrocarril remachados
Comportamiento estático de las conexiones remachadas
Ensayos de fatiga de uniones remachadas
Pruebas a escala de fatiga de elementos y uniones de puentes remachados
Experimentos para determinar el efecto en el impacto, la acción vibratoria, y
prolongada de los cambios de carga en las vigas de hierro forjado
Extensión de la vida de fatiga de las conexiones remachadas
La fatiga de las conexiones remachadas
Evaluación de la fatiga y la fractura para la clasificación de puentes remachados
Resistencia a la fatiga de las placas de acero corroídas
Fatiga y la fractura de los miembros de puentes remachados
En 1864 Fairbairn presentó los resultados de un ensayo en una viga de hierro forjado
remachado construida en forma de I. El propósito de esta investigación fue estudiar los
efectos a largo plazo sobre la fuerza de "rompimiento'' durante la carga cíclica. (Fairbairn,
1864). El fenómeno de la fatiga era en ese momento no entendido completamente, pero en
general la visión era que la resistencia estática de un material se reduce de alguna manera
cuando se someten a cargas repetidas. Esto se explica por "la pérdida de poderes cohesivos'',
es decir, se supone que el material será cada vez más frágil durante la carga cíclica.
De esta investigación el autor ha supuesto, que el hierro forjado de la mayor calidad supone
una estructura cristalina cuando se somete a largas y continuas vibraciones y que sus
capacidades cohesivas son deterioradas, y se vuelve quebradizo y susceptible de romper con
una fuerza considerablemente menor que a los que había sido sometido previamente. Para
estudiar este efecto, y al mismo tiempo determinar un nivel aceptable de carga cíclica con
respecto al riesgo de fatiga, el investigador probó una viga en I remachada de 6.1m de largo
17
y 410 mm de profundidad. La viga tenía una placa de 3mm de espesor y cada pestaña se
componía de dos perfiles en forma de L (L 50 × 50 × 5mm3) con una pestaña adicional (100
× 6mm2) fijado a los perfiles en L. En el experimento se dejó que la viga simplemente
apoyada fuera sometida a una carga de repetición en su tramo medio y luego se elevó
gradualmente el nivel de esta carga cíclica con el fin de encontrar la "resistencia a la ruptura
cíclica''. El autor encontró que cuando él aumento la carga a dos quintas partes de la última
resistencia a la rotura estática, el número de ciclos de carga hasta la falla completa de la zona
de tensión era lo suficientemente baja como para determinar que este nivel de carga cíclica
era inaceptable con referencia a proporcionar seguridad contra la fatiga. También señaló que
se trataba de la placa de acero y los perfiles que se rompieron, y no de los remaches. Con el
fin de continuar la prueba, que tenía la viga reparada mediante la sustitución de la brida de la
tensión rota y añadiendo una placa de refuerzo adicional en la parte superior, la placa de la
banda se había agrietado. En esta segunda serie de pruebas se inició en el mismo nivel de
carga que la prueba anterior, pero luego tuvo que elevar el nivel de carga de un tercio de la
última resistencia a la rotura estática con el fin de obtener un fallo por fatiga.
A partir de 1970, el número de ensayos de fatiga a escala real de los miembros de un puente
remachado aumentó, aunque las cifras seguían siendo pequeñas. Uno de los primeros
investigadores en este período, y el que lleva a cabo las pruebas más extensas, era
Reemsnyder, quien en 1975 (Reemsnyder, 1975) llevó a cabo una serie de pruebas de fatiga
de los 18 miembros de celosía remachados (16 muestras a gran escala especialmente
fabricadas y dos miembros del puente real tomadas de servicio de un puente construido en
1917). El objetivo fue estudiar el efecto de la sustitución de los remaches en las regiones
críticas con tornillos de alta resistencia después de agrietamiento por fatiga. Este autor
también estudió el efecto de:
Diferentes niveles de carga de amplitud constante
Espectro de carga
Fuerza de cierre de perno
El trabajo llevado a cabo por este autor es muy amplio y es a menudo citado por otros
investigadores en el campo de puentes de ferrocarril, a pesar de que la investigación se
centraba sobre una construcción "extraña'', como un puente de hierro.
“Hay muchas similitudes con un puente ferroviario, aunque la carga de fatiga es tan fácil, o
tal vez más fácil, de definir”, como Wyly y Scott señalan acertadamente en un artículo de
1956 (Wyly & Scott, 1955), que estas estructuras constituyen, en efecto, gigantescas
máquinas de ensayo de fatiga. Los ejemplares de tamaño completo se prueban repetidamente
bajo condiciones reales. La carga, que es conocida en magnitud, es casi constante hora tras
hora, año tras año. El número de ciclos de carga es también conocido a un grado razonable
de precisión.
Los miembros de celosía remachadas desde el puente de hierro son muy similares en forma
a los miembros de puente de braguero de tren, y como el mismo Reemsnyder señaló , pueden
dar una idea de las estructuras remachadas en general dado que:
18
Hay un gran número de viejas estructuras remachadas fijas en servicio que trabajan
en rangos de elasticidad en muchos casos.
Estas estructuras también están sometidas a cargas más grandes de lo que se pretendía originalmente.
En el momento en que estas estructuras fueron diseñadas, el efecto de la fatiga debido a una carga cíclica no se tuvo en cuenta, y si dicho efecto se tuvo en cuenta, se basaba
en una comprensión limitada de conocimiento del fenómeno.
En diez de los elementos de refuerzo a prueba por Reemsnyder, se reemplazaron los remaches
en esos lugares críticos donde se pudo observar una grieta por fatiga. Luego, el ensayo de
fatiga de estos miembros se continuó hasta el fallo completo de la sección.
Los resultados de la investigación realizada por Reemsnyder pueden resumirse en dos
conclusiones:
Cuando se hizo la sustitución de los remaches en regiones críticas por pernos de alta resistencia durante la prueba, hubo un aumento en la vida de fatiga de 2-6 veces
mayor que la de aquellos miembros que no se habían reforzado (es decir, miembros
de los que no se reemplazan los remaches).
Un aumento en la fuerza de pre tensión de los pernos de alta resistencia también dio
lugar a un aumento correspondiente de la vida de fatiga de los elementos de refuerzo
que se probaron.
Lo anterior claramente indica, que los efectos de compresión radial de los pernos pre-
tensados mejoran la vida en fatiga del elemento.
En 1984 Rabemanantsoa y Hirt (Rabemanantsoa & Hirt, 1984) probaron cuatro vigas de
puente ferroviario laminadas (HEB 1000) con placas de cubierta remachadas en el ala
traccionada inferior. Las vigas estaban destinadas para uso temporal y nunca habían estado
en servicio, y estaban por consiguiente, en muy buen estado. Fueron probadas por cuatro
puntos de flexión (por más de cuatro puntos en ensayos de flexión) a niveles relativamente
bajos de esfuerzo variable (σr = 78-90 MPa) y por lo tanto lograron vigas de fatiga hasta de
7x106 ciclos de tensión. Las grietas de fatiga emanaban exclusivamente a partir de los
agujeros de remache en el reborde inferior.
Dos de las vigas fueron reforzadas durante la prueba, y se marcaron con un símbolo de flecha.
El valor del ciclo de carga marcado se refería al valor que se alcanzó justo antes se reforzaron
las vigas. Las dos vigas reforzadas tienen una flecha sólo para demostrar que su resistencia a
la fatiga, sin que se tomen medidas, es más larga. Cuando se detectó la primera grieta de
fatiga en el ala traccionada inferior una placa de cobertura extra fue agregada a este reborde,
cuando posteriormente se propagó hacia el alma, la grieta fue detenida por la perforación de
un orificio de tope en la punta de la grieta. Estas medidas se tomaron con el fin de simular
un procedimiento de refuerzo real en el campo. (Dexter & Ocel, 2013).
19
La duración de la vida de fatiga de estas dos vigas era más de tres veces la de la vida de fatiga
de las vigas no reforzadas. El resultado de estos ensayos de fatiga mostró que es posible
incrementar considerablemente la vida a fatiga de servicio de un puente de vigas agrietadas
mediante la inclusión de refuerzo de una manera apropiada.
Out et al. realizaron un estudio en el año 1984 (Out, Fisher, & Yen, 1984) en el cual la
resistencia a fatiga de cuatro largueros clavados fuertemente corroídos tomados de un puente
que fue construido en 1903 y demolido en 1982. Debido al hecho de que los rangos de tensión
elegidos eran bajos y muy cerca del límite de fatiga de los detalles remachados (σr = 56-75
MPa), la resistencia a la fatiga reportada fue bastante alta (hasta 40 · 106 ciclos). Los largueros
se ensayaron usando un ensayo de flexión en cuatro puntos.
Debido a los orificios de tope de perforación y dado el hecho de que las platinas mostraron
redundancia sustancial (es decir, la capacidad de una viga remachada de sección I, para llevar
la carga por "acción compuesta'', incluso después del fallo completo de un componente de la
sección), fue posible para continuar el ensayo de carga cíclico incluso después primeros
estados de fisuración.
Aunque las áreas corroídas no habían reducido severamente el espesor de la placa antes de
la prueba, no había ningún inicio de la grieta, aparte de la formación de fisuras en los orificios
de los remaches. Los resultados de la prueba de la investigación realizada por Fisher y Yen
también mostraron que:
Una fuerte unión por fricción entre los componentes de la sección era beneficiosa para la vida de fatiga. (posiblemente debido a la inclusión de fuerzas compresivas)
El miembro remachado de la sección en I exhibió redundancia sustancial después de
que una grieta había roto un componente (en este caso un ángulo).
El crecimiento de la grieta no exhibió propagación inestable a pesar de que la temperatura se redujo a -40 ◦ C a intervalos durante el ensayo de fatiga.
Baker y Kulak realizaron una serie de pruebas en 1985 (Baker & Kulak, 1985) para estudiar
el efecto sobre la vida de fatiga de la sustitución de remaches con pernos de alta resistencia.
Ellos simularon una conexión remachada y la sola utilización de agujeros sin cubrir en el
centro de la luz de las vigas de ala ancha sometidos a flexión de cuatro puntos. La idea era
investigar el límite inferior de la resistencia a la fatiga de la unión remachada (es decir, para
una conexión remachada con remaches completamente sueltos o apretados a mano, como en
el caso de remaches de acero A-307). Señalaron que este procedimiento presentaba tanto
algunos beneficiosos como algunos efectos perjudiciales en las conexiones remachadas que
estaban expuestas en el servicio: la preocupación era la fuerza de sujeción, y la corrosión
bajo la cabeza del remache. Los resultados de estas pruebas se compararon con los de una
segunda serie de pruebas similares, pero ahora con pernos de alta resistencia en los agujeros.
Esto dio lugar a un máximo de 16 veces más resistencia a la fatiga en comparación con las
20
con orificios vacíos en las pestañas. Una vez más, lo anterior, mostro las bondades del pre
tensionamiento de pernos en la vida de fatiga.
Además de estas pruebas, Baker y Kulak también realizaron algunas pruebas a escala real de
los miembros de celosía remachados, cargados axialmente y tomados de un puente de
carretera construido en 1914. La resistencia a la fatiga de estas conexiones remachadas del
puente actual resultó ser mayor que el obtenido para las vigas con agujeros vacíos y también
más alta que la resistencia a la fatiga que se especifica en el código de diseño (AASHTO: la
categoría D). (Manual for Bridge Evaluation, 2nd Edition. 2011, AASHTO)
En 1987 Fisher et al., publicó los resultados de una serie de pruebas de fatiga en 14 vigas
remachadas tomadas de tres puentes diferentes. Las vigas eran todas del mismo tipo de
secciones I remachadas. Con el fin de reducir la rigidez a la flexión, dos de las secciones de
la viga se redujeron en altura y una nueva pestaña superior fue soldada a la placa de alma
restante. Esto se hizo con el fin de disminuir la carga de fatiga necesaria para alcanzar el
rango de tensiones deseado. Sólo se obtuvieron 13 resultados de fatiga ya que una de las
vigas falló antes de la prueba de fatiga (durante una prueba de carga estática).
Los principales resultados de esta investigación se resumen de la siguiente manera:
El diseño de las curvas de fatiga para los detalles remachados dados en los códigos (AASHTO: categoría D) podría ser utilizado para la estimación aproximada de la
resistencia a la fatiga, a pesar de que está bien en el lado de la seguridad. (Es decir, el
código es conservador en su tratamiento de vida remanente en fatiga).
La resistencia a la fatiga de las vigas ensayadas era más cercano al de la categoría C
referenciado en AASHTO.
Para los tres rangos de esfuerzo, elegidos para la prueba, tres tensiones medias se utilizaron variando aleatoriamente el esfuerzo mínimo entre 14, 55 y 96 MPa.
A pesar de la gran diferencia de tensión media, hay una correlación entre la tensión
media y la vida de fatiga la cual se pudo determinar.
La prueba de fatiga se llevó a cabo de vez en cuando bajo temperatura reducida (intervalos periódicos a una temperatura por debajo de -40 ◦ C durante el ensayo de
fatiga). Los resultados mostraron que grandes grietas de fatiga se pueden sostener sin
rotura frágil de un componente, a pesar de la baja temperatura.
Las vigas remachadas en I incorporadas mostraron una redundancia estructural
sustancial inherente. Una sección fisurada, en donde hasta dos componentes de la
sección se habían agrietado, tenía la capacidad de redistribuir la carga a otras partes
y componentes dentro de la viga. Lo anterior muestra las bondades de la redundancia
estructural de la vida a fatiga.
Los resultados se compararon con los de las investigaciones realizadas por Rabemanantsoa
21
y Hirt en 1984 (Rabemanantsoa & Hirt, 1984) Se encontró que los elementos de hierro
forjado tienen resistencias a la fatiga que son similares a la de las vigas de acero remachadas.
Brühwiler et al, también encontraron que los miembros corroídos no muestran resistencia a
la fatiga comparado con la vida a fatiga de las vigas no corroídas. Ellos sugieren que esto
puede ser debido, en parte, a la ausencia de corrosión en agujeros de los remaches. Los
resultados de las pruebas también demostraron que un rango de tensión de corte de 100 MPa
puede ser tomado como un límite constante de fatiga aproximada para remaches en
cizalladura. (Brühwiler, Smith, & Hirt, 1990). Lo anterior ilustra el efecto detrimental de la
corrosión en la vida de fatiga de elementos de acero.
Otros investigadores en 1986 (Ortiz & Kiremidjian, 1986), desarrollan desarrollaron un
procedimiento previo del crecimiento de la grieta por fatiga (FcgR). Las estadísticas han
tratado de determinar la mejor prueba y técnicas de análisis de datos con la que se deben
procesar los datos de crecimiento de la fisura de fatiga. Las mejores técnicas se definen como
las que producen el mínimo de dispersión en los datos. Estudios recientes sugieren que la
dispersión en los datos FcgR tiene un significado físico, el cual debe ser entendido con el fin
de predecir el crecimiento de pequeñas grietas. Este artículo estudio un modelo estocástico
que trata la resistencia del material al crecimiento de grietas por fatiga como un proceso
estocástico espacial de la evolución a lo largo del camino de la grieta. Los parámetros del
modelo se encuentran en un análisis de series de tiempo que representa la correlación
estadística que se ha observado entre las mediciones FcgR adyacentes. Los datos que se
analizaron son un conjunto de réplicas de pruebas de crecimiento de fisura de la muestra en
incrementos iguales de crecimiento de la grieta.
En 1987 los investigadores (Lindgren & Rychlik, 1987), presentan una definición nueva y
sencilla del método de la lluvia de flujo de ciclos para el análisis de un proceso de carga de
forma aleatoria. Se combina con la regla de los daños Palmgren-Miner (Miner, 1945), y un
modelo estocástico para la resistencia a la fatiga y la variabilidad del límite de fatiga. Los
algoritmos que se utilizaron hacen posible calcular la distribución de RFC de amplitud,
sobre la base de una aproximación de la cadena de Markov de máximos y mínimos locales.
El método derivado se utilizó para ser aplicado a las estructuras sometidas a cargasaleatorias
de fatiga, tales como el ruido acústico, las ondas de vibración aleatoria o en el mar, etc.
Según Sprowls, el método usual para pruebas de fatiga por corrosión es realizar un ensayo
del estado de fatiga en la presencia del medio de interés. (Sprowls, 1987). Sólo unos pocos
procedimientos estandarizados para ensayos de fatiga están disponibles debido a que muchas
de las máquinas de ensayo están hechas específicas para las probetas. Se efectúan una serie
de discusiones de las pruebas de fatiga en cuanto el número de ciclos hasta el fallo, los
parámetros de carga, presentación de datos sobre la fatiga, las muestras de prueba, el efecto
del tamaño de la muestra de prueba, el efecto de la concentración de esfuerzos, y los efectos
sobre la superficie. Sobre la propagación de la grieta, la discusión aborda la mecánica de la
fractura, las variables que influyen en la fatiga por corrosión, la caracterización de grietas de
22
crecimiento, y crecimiento de la grieta en ambientes específicos. Los materiales considerados
en el debate son de carbono, aleaciones, y aceros estructurales.
En 1989 Abe ensayó nueve largueros remachados tomados de un viejo puente ferroviario
(Abe, 1989). Así como la realización de algunas pruebas de fatiga estandarizadas en
diferentes detalles elaborados a partir de muestras tomadas de acero del puente, quería
estudiar la vida de fatiga de las piezas corroídas y los miembros que habían estado en servicio
por un largo período de tiempo. Los largueros estaban en condiciones relativamente buenas,
excepto en la región del centro de la luz, donde el ala traccionada estaba muy corroída en el
punto de conexión remachada. A pesar de este muy grave defecto en la región central del
vano, uno de los principales hallazgos de Abe, fue que la resistencia a la fatiga se rige por el
agujero y no por el remache; la corrosión afecta al material base del elemento, más no al
remache en sí.
En 1990 Brühwiler, Smith y Hirt (Brühwiler et al., 1990) investigaron el comportamiento a
fatiga de seis vigas remachadas y tres vigas de celosía de hierro forjado retirado de dos
puentes de carreteras construidas en 1894 y 1891 respectivamente. Las vigas fueron probadas
por cuatro puntos de flexión con carga de amplitud constante cíclica (σr = 50-120 MPa ) con
un máximo de 20 · 106 ciclos de tensión. Se establece una semejanza en el detalle categoría
71 Convenio Europeo para la Construcción Metálica (ECCS) con la categoría D de la
Asociación Americana de Funcionarios Estatales de tráfico de la carretera (AASHTO), el
cual proporciona una estimación razonable de la resistencia a la fatiga de acero ligeramente
corroído y elementos de hierro forjado.
Mang y Bucak publicaron un artículo en 1990 (Mang & Bucak, 1990), que presentó los
resultados de una serie de ensayos de fatiga en una sección completa y algunas otras vigas
tomadas de dos puentes de ferrocarril remachadas (el puente Blumberg y el Puente
Stahringen) construido a finales de 1800 . Para el Puente de Blumberg fue posible obtener
varios resultados de fatiga mediante el desmantelamiento de la sección de la superestructura
del puente en sus miembros constituyentes después de la primera prueba de fatiga
completada, y, posteriormente, probar los miembros que aún estaban intactos. El resultado
de las pruebas mostró vidas de fatiga iguales o por encima de la curva de resistencia a la
fatiga para los detalles remachados especificados en el eurocódigo.
El puente sobre el río Ohio entre Point Pleasant, West Virginia, y Gallipolis, Ohio, más
conocido como el puente de plata, diseñado y construido durante 1927-1928, fue el primer
puente colgante tipo eyebar en los Estados Unidos, y recibió mucha atención en la historia
de la ingeniería, este puente después de unos 40 años de servicio se derrumbó sin previo aviso
el 15 de diciembre 1967, durante horas pico de la tarde, cuando el puente estaba atestado de
tránsito pesado. El colapso provocó la pérdida de 46 vidas y nueve heridos. Una investigación
exhaustiva (Lichtenstein, 1993), reveló que el colapso del puente fue causado por la falla del
elemento tipo “eyebar” al norte de la cadena norte en el primer punto del panel al oeste de la
torre de Ohio. El eyebar había desarrollado una falla en la posición inferior de la cabeza. La
tragedia de este fracaso puente llevó a la aprobación de las Normas Nacionales de Inspección
de 1968 Puente por el Congreso de EE.UU. (En la actualidad, este tipo de puentes ya no se
permite en Estados unidos).
23
Habib en 1995 realizó un estudio sobre el efecto de la deformación cíclica por el
comportamiento a la corrosión de electrodos metálicos polarizados en solución acuosa.
El objetivo del estudio fue determinar el comportamiento inicial de un electrodo de níquel
(Ni) en H2SO4 y uno de molibdeno (Mo) en solución de KCl bajo una condición conocida
como la fatiga por corrosión (CF) mediante el uso de los métodos de interferometría
holográfica en tiempo real. Se consiguió como resultado, una relación entre la deformación,
obtenida por interferometría holográfica y la densidad de corrosión, producida por métodos
electroquímicos establecidos. (Habib, 1995). En otras palabras, la cantidad de corrosión y la
deformación aplicada a un elemento estructural, están correlacionadas.
Peter Tanner (P. Tanner, 1996) en su artículo menciona que el conocimiento de las
características de las soldaduras resulta indispensable para proyectar uniones sencillas,
fácilmente ejecutables y económicas. Por este motivo, la contribución de este autor pone
énfasis en los mecanismos de transmisión de las fuerzas mediante soldaduras, y en los
posibles efectos de las soldaduras sobre el comportamiento de las estructuras metálicas. En
este artículo se repasan las actividades necesarias en el marco de un dimensionamiento de las
uniones soldadas y más que los aspectos de cálculo, se destaca la importancia de los aspectos
conceptuales.
Nishikawa, Murakoshi, y Matsuki en 1998, concluyen que los daños por fatiga se han
detectado en zonas soldadas sometidas a esfuerzos secundarios o distorsión inducida debidas
a carga repetitivas de tránsito pesado, especialmente vehículos con sobrecarga. También
estudian un método de diseño de puentes con el fin de eliminar los problemas de fatiga
existentes y proporcionan una breve introducción al estado actual de la fatiga de puentes
vehiculares de acero en Japón y describen en el diseño estrategias para prevenir un mayor
daño de fatiga, con base en mediciones reales de esfuerzos en campo. (Nishikawa,
Murakoshi, & Matsuki, 1998).
El Departamento de Transporte de Oregon (ODOT) es responsable de aproximadamente 320
de acero puentes, muchos de los cuales tienen detalles de conexión que son propensos a la
fatiga. (Paasch & DePiero, 1999). La mayoría de estos puentes, que fueron construidos antes
de 1960, se dan detalles acerca al final de su resistencia a la fatiga y requieren inspección
mayor y reparación en los próximos 10 a 20 años. Dichos puentes al estar en las principales
rutas, que requieren mayor atención, ya que pueden experimentar tanto como 1-5x106 ciclos
de carga significativas por año. Algunos de estos puentes tienen más de 1.000 tipos de
conexión, haciendo que el costo de la inspección y reparación sea muy costosa. Hasta la
fecha, los detalles con grietas por fatiga se han encontrado en más de 20 estructuras. Existe
la necesidad de evaluar con precisión las condiciones de carga y la tasa de crecimiento de la
fisura de fatiga para los detalles de la conexión y para desarrollar una metodología de campo
de bajo costo de identificación. El procedimiento actual es la de reparar sólo los detalles de
la conexión que contienen visibles grietas de fatiga; es decir cuando ya es demasiado tarde.
24
En el siglo XIX, las necesidades de transporte de Quebec dieron lugar a propuestas para
salvar el río San Lorenzo. (Pearson & Delatte, 2006). El puente de Quebec fue la estructura
en voladizo más larga intentada hasta ese momento. En su diseño final, la luz libre fue 548,6
m (1.800 pies) de largo. El proyecto del puente estaba afectado financieramente desde el
principio. Esto causó muchos contratiempos en el diseño y la construcción. La construcción
comenzó finalmente en octubre de 1900. En agosto de 1907, el puente se derrumbó de
repente. Setenta y cinco trabajadores murieron en el accidente, y sólo hubo 11 supervivientes
de los trabajadores de la luz. Un distinguido panel se reunió para investigar el desastre. El
informe del panel determinó que la causa principal de la falla del puente fue el diseño
inadecuado de la celosía en los acordes de compresión. El colapso fue iniciado por la falla de
pandeo de A9L acordes, en el brazo de anclaje cerca del muelle, seguido inmediatamente por
A9R acordes.
Los investigadores de la referencia (Gu, Xu, Chen, & Xiang, 1999), concluyen que a medida
que el tramo principal de los modernos puentes atirantados se hace más largo, el problema
de daño inducido por golpeteo, induce fatiga en las vigas de acero situadas en las regiones de
viento fuerte, y tiene que ser tomado en consideración en el diseño de un puente. La
investigación de los autores presenta un método que mezcla análisis en el dominio de la
frecuencia para la estimación de la vida a fatiga de vigas de acero del puente atirantado
Yangpu. En el método propuesto, la función densidad de probabilidad conjunta de la
velocidad y dirección del viento en el nivel de la cubierta del puente se estableció por primera
vez. Los resultados muestran que los efectos de la dirección del viento sobre la vida a fatiga
del puente Yangpu son significativos.
Varios autores presentan una metodología para la evaluación de la seguridad de estructuras
existentes, con referencias concretas al estudio y posterior rehabilitación de un puente en arco
de hormigón, de 70 años de edad, que presentaba unos daños importantes (Peter Tanner &
ORTEGA, 2000). El estudio determina la importancia de la evaluación de estructuras
existentes, de la planificación de un programa de ensayos e inspecciones para la adquisición
de datos sobre la estructura analizada, así como la introducción de estos datos en los cálculos
estructurales.
Un enfoque basado en la confiabilidad de evaluación para daños de fatiga en corrosión
puntual, que combina la estimación de análisis y de inspección no destructiva ha sido
desarrollado por (Zhang & Mahadevan, 2001). En primer lugar, un modelo basado en la vida
mecánica probabilística de la fatiga por corrosión en la superficie de una lámina doblada se
estableció, y entonces un enfoque de revaluación se desarrolló después de la inspección en
servicio. La confiabilidad de la técnica del NDI se cuantifica a través de una descripción
probabilística de la detectabilidad y la precisión. El enfoque de la revaluación incorpora la
confiabilidad de la técnica del NDI, los datos de inspección y la predicción anterior en un
marco probabilístico de las decisiones sobre el mantenimiento o reparación.
25
El investigador (Darveaux, 2002), trabajó un modelo generalizado de las uniones soldadas
las cuales inducen a la fatiga. El autor utiliza el programa ANSYS que es una solución
aproximada para evaluar la fatiga en este tipo de uniones. El modelo se basa en la correlación
de los datos medidos de crecimiento de fisura en las articulaciones BGA durante el ciclo
térmico. Posteriormente se descubrió por Anderson et al., que el código de elementos finitos
que se utilizada en el modelo de ANSYS tuvo un error en su método de cálculo de la parte
plástica. Se ha demostrado que un error significativo en la predicción de la vida podría estar
incluido con una versión reciente del código donde se ha corregido el error. El error se
produce ya que las constantes de las grietas originales de crecimiento se obtuvieron con base
en cálculos de trabajo plástico que tenía el programa. En este trabajo, la iniciación de grietas
y de las constantes de crecimiento se vuelve a calcular utilizando ANSYS. Sin embargo esto
es solo una aproximación y no remplaza los ensayos directos del material.
En las últimas dos décadas, el rápido deterioro de las estructuras de los puentes se ha
convertido en un grave problema técnico y económico (Radomski, 2002). Por lo tanto, la
rehabilitación del puente se ha convertido en un factor muy esencial.
Otros autores proponen siete etapas para un modelo de predicción de vida a fatiga para el
análisis de la confiabilidad del envejecimiento de estructuras de aeronaves en virtud de los
Múltiples Sitios de Daños (MSD), debido a la fatiga por corrosión (Shi & Mahadevan, 2003).
El proceso de deterioro se divide en una etapa y una fase a fin de considerar las interacciones
de las grietas MSD. El estado estructural inicial en la etapa de la interacción está determinado
por los puentes y la corrosión por picadura de MSD. Un análisis de falla progresiva se aplica
mediante un procedimiento iterativo de análisis de elementos finitos.
En el marco de un proyecto de investigación sobre los criterios de comportamiento de aceros
estructurales formados en frío se está llevando a cabo el estudio del comportamiento en
fatiga, a través de la determinación de las curvas de Wöhler, S-N, de chapas de acero de
distintas calidades y 15 mm espesor con agujeros de 15 mm de diámetro realizados mediante
punzonado y también mediante taladrado. (Sánchez, Pesquera, & Gutiérrez-Solana, 2003),
con el objeto de definir las causas de la iniciación del proceso de fisuración se ha realizado
un estudio del efecto del punzonado sobre las propiedades locales del material a partir de las
curvas de isodureza en el entorno del agujero. Asimismo se llevó a cabo un exhaustivo
análisis de las superficies de fractura para determinar las zonas de iniciación de la fisura. Para
los aceros estudiados se concluye que los umbrales de propagación son prácticamente iguales bajo el mismo proceso (punzonado o taladrado), siendo el umbral del acero taladrado el doble
que el del punzonado. Además el proceso de iniciación de las probetas punzonadas tiene
lugar siempre en la zona de paso de la zona de corte a la zona de desgarro, mientras que en
las probetas taladradas puede ocurrir en cualquier zona y está asociado a pequeños daños
generados por el propio proceso de taladrado.
De acuerdo a (Mohammadi, 2004), con la creciente demanda de reparación, modernización
y reconstrucción de estructuras envejecidas, hay una necesidad crítica de métodos que de
manera eficaz y fiable se pueden utilizar en la identificación de posibles modos de daños y
el estado actual de una estructura dada. Cuando la carga aplicada es de naturaleza cíclica la
estructura afectada estará sujeta a daños por fatiga. La decisión de reparar, adaptar o
26
reconstruir una estructura de este tipo requiere una planificación e investigación sobre la
naturaleza y magnitud de los daños y la estimación de la vida útil restante de la estructura de
cuidado. La estimación de los daños y la predicción de la vida restante sólo se pueden
conseguir a través de un análisis probabilístico usando información sobre la historia tensión
aplicada, la fatiga y el comportamiento de fractura de la estructura y la geometría de sus
componentes críticos. Métodos no destructivos de ensayo en fatiga (NDT) juegan un papel
importante en la recopilación de la información y en la conducta de un análisis de
confiabilidad para determinar el estado de la estructura y la estimación de su vida útil
restante. Métodos más exhaustivos pueden requerir un riguroso programa de monitoreo,
junto con varias pruebas y análisis para evaluar con precisión el estado de la estructura. Los
resultados de estas técnicas y los análisis pueden ser útiles para establecer el perfil de fatiga
de la estructura y de la programación económica de las futuras actividades de reparación,
reacondicionamiento o reconstrucción.
En la investigación realizada por (Braun & Mohammadi, 2004) se presentó la aplicación de
un programa continuo de monitoreo estructural en la evaluación de la confiabilidad de fatiga
en el envejecimiento de los aviones. El sistema de monitoreo se compone de sensores
instalados en puntos críticos del fuselaje y la compilación de datos sobre la historia de carga
en vuelo y de las fluctuaciones del esfuerzo de fatiga. Los datos se utilizaron junto con un
análisis detallado de daños para llegar a la confiabilidad de fatiga de la estructura y una
estimación de la vida de fatiga restante. El documento analiza el procedimiento en la
compilación de datos de carga del vuelo, la duración del período de adquisición de datos y la
descripción de los parámetros de vuelo que efectivamente se pueden utilizar en el análisis de
confiabilidad a fatiga. En la investigación se explica el proceso de validación de los datos
recopilados y el método de análisis para la estimación de la vida de fatiga restante.
Ensayos no destructivos según (Fu, 2004) se pueden utilizar para examinar y/o monitorear
miembros de puentes vehiculares de acero para el control de la calidad de la soldadura y/o la
detección de una posible falla de fatiga. Este artículo presentó una breve reseña sobre el tema.
Abarcó varios métodos de ensayos no destructivos, que van desde los que se utilizan
habitualmente hasta algunos todavía en fase de desarrollo. Estos métodos se pueden clasificar
en dos grupos: (1) para el diagnóstico global y (2) para el diagnóstico local. Métodos de
diagnóstico globales se refieren a aquellos que se concentran en todo el sistema de la
estructura del puente. Su resultado típico es un área local donde se sospecha de la
discontinuidad, el daño o la falla. En contraste, los métodos de diagnóstico locales son las
que se aplican a un área local. Su resultado típico es la identificación de los daños o la falla
con los datos cuantificados, como el tamaño de la grieta, forma, dirección, etc. Como se ve,
los métodos de diagnóstico locales ofrecen el mejor diagnóstico. Sin embargo, la inspección
in situ de los componentes del puente de acero se complementa cando los métodos de
diagnóstico locales tienen que ser aplicados a las áreas locales identificadas usando métodos
de diagnóstico globales.
Mahadevan y Zhang, desarrollaron un enfoque integral para integrar métodos de
confiabilidad de cálculo y de inspección no destructiva (NDI) para su evaluación de
fiabilidad a la fatiga. (Mahadevan & Zhang, 2004) Las incertidumbres existentes en el
desempeño y los resultados del NDI se consideran a través de medidas estadísticas numéricas
y se derivan de las relaciones matemáticas entre estas medidas. Se propone un nuevo método
27
para estimar la probabilidad de detección (POD) y el intervalo de confianza usando estas
relaciones. Además, se presenta un nuevo método de utilización de los resultados de la NDI
para actualizar la estimación de la confiabilidad, que incluye información tal como POD,
precisión de la medición y la probabilidad de no detección de grandes defectos. La aplicación
de los métodos propuestos se ilustra a través de un problema de fatiga. Se comparan las
técnicas de inspección con diferentes características POD.
Los autores de la referencia (Mohammadi, Guralnick, & Polepeddi, 2004), presentaron una
aplicación específica en la que la confiabilidad a la fatiga de las vigas de acero en puentes se
evalúa mediante la realización de una medición de campo de tensiones en puntos críticos más
importantes. El procedimiento presentado es considerado como un método de ensayo no
destructivo. La fuente de información para la evaluación de la confiabilidad de fatiga es ante
todo un conjunto de datos de alcance del esfuerzo, recogidos en lugares de fatiga crítica en
un puente dado. Los datos recopilados se utilizaron a continuación, junto con un análisis
estructural riguroso para estimar el grado de daño por fatiga en componentes y la evaluación
de la confiabilidad de la fatiga del puente. Los datos recogidos para este estudio fueron de
varias vigas de acero de puentes. La sesión de adquisición de datos para cada puente duró
dos días. Se creía que en el plazo de dos días sería capturado un porcentaje importante de los
rangos de esfuerzo potencial experimentado por cada puente.
Tras el análisis de la evaluación de la fiabilidad de estos puentes, se llevó a cabo un estudio
para determinar el costo de reemplazo del puente basado en el grado de daño por fatiga en
cada puente y las estimaciones de la vida útil del puente. El documento recomienda un
procedimiento que se puede utilizar con eficacia en la recolección de datos, y en el
seguimiento y análisis de coste del ciclo de vida de los puentes de carretera. (Mohammadi
et al., 2004).
Los siguientes investigadores (Sarkani, Michaelov, & Lutes, 2004), mostraron algunas de las
técnicas más populares para la evaluación no destructiva de las tensiones residuales en las
uniones soldadas. Se prestó especial atención al método de difracción de neutrones y
difracción de rayos- X. (El método de difracción de neutrones es la única técnica no
destructiva que es capaz de proporcionar una completa información, de la distribución de
espesor de las tensiones residuales en uniones soldadas). La información sobre las tensiones
residuales son especialmente importantes para el cálculo de daños por fatiga estocásticos bajo
cargas. Se demuestra que la influencia de las tensiones residuales en la acumulación de daño
por fatiga estocástico se puede incorporar como un enfoque simple basado en el modelo
elástico - perfectamente - plástico del material y el factor de corrección de Gerber. El modelo
asume que la tensión residual que permanece en el lugar crítico depende de la tensión nominal
mayor nunca vista por una junta soldada. El modelo predice que las tensiones residuales
durante carga decaen al azar a cero. El efecto elástico del material se investigó
adicionalmente considerando un modelo de material elástico - plástico con endurecimiento
cinemático lineal. Las tensiones residuales en este caso se calculan a través de simulaciones
de Monte - Carlo. Se demostró que el efecto de endurecimiento del material reduce la tasa de
28
disminución de tensión residual y por lo tanto acelera la tasa de acumulación de daños por
fatiga. En otras palabras aceros endurecidos tienden a fallar más rápido por fatiga. (Como es
el caso de aceros de alta resistencia).
Los mismos dos autores mencionados anteriormente (Sarkani & Michaelov, 2004),
desarrollaron la predicción de las tensiones residuales en uniones soldadas utilizando la
prueba no destructiva (NDT) de métodos tales como técnicas de difracción de rayos X o de
neutrones desarrollando un análisis numérico de esas tensiones. Estos análisis, que se pueden
llevar a cabo antes o después del procedimiento de END, se hacen mejor con la ayuda de
elementos finitos (FE) para las técnicas de simulación. Aunque el método de los elementos
finitos es uno de los enfoques más atractivos para el cálculo de las tensiones residuales en
uniones soldadas, su aplicación al análisis de prácticas y problemas de diseño se ha visto
obstaculizada por dificultades de cálculo. Estas dificultades no surgen en el modelado de la
respuesta constitutiva de fusión y solidificación del metal, sino que se producen sobre todo
por el enorme tamaño de cómputo de cualquier problema práctico que resulta principalmente
del modelado tridimensional (3D) de un proceso de soldadura. Aunque el modelado de dos
dimensiones (2D) se ha utilizado ampliamente en los problemas de esfuerzos residuales, la
creencia actual sostiene que el análisis 2D no puede representar tensiones residuales precisos
que se producen debido a la soldadura. (Esto principalmente debido a que la ecuación de Von
Mises no tiene componentes perpendiculares completas). Este estudio investigó los campos
de esfuerzos residuales en una unión soldada tipo T y comparo las tensiones calculadas por
los modelos 3D y las calculadas por los modelos 2D. El estudio muestra que la distribución
de temperatura en la zona central de la articulación puede ser capturada con éxito por un
modelo de elementos finitos en 2D y una técnica que tiene en cuenta el equilibrio de
transferencia de calor y velocidad de soldadura. Las tensiones residuales en el plano del
modelo 2D calculado por este método muestran buenos resultados, comparados con los
calculados por el modelo 3D.
Son y Mohammadi en 2004 (Son & Mohammadi, 2004), presentaron una visión general de
los diversos métodos de ensayos no destructivos (END) aplicados a puentes de carretera. La
revisión se centró en los métodos de ensayo no destructivos que se utilizan actualmente en
conjunto con la evaluación del estado de los componentes del puente cuando están sujetos a
grietas, fracturas y otros casos de avería de difícil detención. La revisión abarca la
disponibilidad de la tecnología de END en la evaluación del estado del puente en general.
Los autores de la referencia en 2004 (Zhao & Haldar, 2004), desarrollaron un método de
actualización de confiabilidad de fatiga incorporando información de las inspecciones no
destructivas. Utilizando un enfoque de mecánica de fractura elástica lineal y el método de
confiabilidad de primer orden, el índice de confiabilidad se evalúa primero para daños por
fatiga. El índice de confiabilidad se actualiza con la información de las inspecciones no
destructivas utilizando el enfoque Bayesiano. El método es capaz de tener en cuenta todas
las fuentes de incertidumbres en el modelo de evaluación de daños por fatiga, así como en
las inspecciones no destructivas. El índice de confiabilidad actualizado se utiliza entonces
29
para tomar decisiones de mantenimiento para mitigar los daños de fatiga. La información
sobre el índice de confiabilidad inicial, índice de confiabilidad e índice de mantenibilidad
admisible se usa para implementar esta estrategia de mantenimiento basado en el riesgo. El
método se refiere al problema general de la evaluación de riesgos, el mantenimiento y la
rehabilitación de las estructuras sensibles a fatiga mediante la combinación de técnicas de
inspección de alta base tecnológica con un procedimiento analítico basado en la confiabilidad
sofisticada.
Muñoz y Valbuena realizaron una investigación en la cual, se estudió en detalle el estado y
los daños típicos de los puentes en acero y en estructura mixta (acero y concreto) de la Red
Vial Nacional de Colombia (Edgar Muñoz & Valbuena, 2004). El estudio está basado en la
evaluación del inventario y las inspecciones realizadas por el Instituto Nacional de Vías
(Invias) desde el año de 1996, a través del Sistema de Administración de Puentes de
Colombia (Sipucol). El artículo se divide en dos (2) partes: en la primera se presenta una
descripción de las diferentes tipologías de los puentes en acero basados en el módulo de
inventario del Sipucol y en la segunda el estado y los daños típicos de los componentes
principales.
Varios autores obtienen las propiedades de resistencia de crecimiento de propagación de
grietas a través de pruebas de fatiga, (de Paula Martins, Cimini Jr, & Godefroid, 2005). Los
resultados se obtienen a partir de un gráfico log-log el cual presenta tres regiones: Región I,
donde la microestructura, la media de la tensión y el medio ambiente tienen una gran
influencia. Región II, que presenta un comportamiento lineal y de la región III, donde el
material llega a la resistencia a la fractura y los resultados son una fractura inestable. Además
se estudia el comportamiento de la corrosión en las juntas resistentes de acero USI SAC 50
soldadas, utilizando probetas compactas de tensión donde se ha afectado térmicamente una
parte localizada. Se obtiene la propagación de grieta estable y ecuaciones de Paris, de la
región II, con un límite de confianza del 95%. Se observa que en la zona afectada por el calor
se encuentra una dispersión importante.
La red actual de puentes en Quebec incluye aproximadamente 9.000 puentes de diferentes
tipos y representa un activo de 9 mil millones de dólares. Según Morales et al, muchos
puentes muestran signos de bastante deterioro antes del final de la vida de diseño,
supuestamente entre 50 a 100 años. Con base en la investigación de los autores el camión de
carga se ha incrementado en más del 40% en los últimos 40 años, y los puentes no han sido
reforzados con el fin de cumplir con los nuevos códigos. El daño acumulado y la vida útil
restante de los puentes de carretera son revisados en esta investigación. Para los autores los
puentes de ferrocarril son excluidos debido a que su análisis de carga utiliza un enfoque
diferente. La condición de los puentes de acero en servicio por más de 50 años, que es el
promedio edad de la mayoría de los puentes en operación en Canadá, se sugiere evaluar de
manera realista. Condiciones de fatiga, climáticas extremas tales como la diferencia de
temperatura entre el calor y el frío, estaciones del año, sales de deshielo y la corrosión son
los factores de deterioro que también deben tenerse en cuenta. A bajas temperaturas, el acero
30
pierde su ductilidad, aumentando así el riesgo de fractura frágil. El acero utilizado hace 50
años fue mal desoxidado durante el vertido y, consecuentemente, se pueden propagan las
grietas de fatiga más fácilmente a través de las impurezas. (Morales & Bauer, 2006).
En el estudio de investigación de los autores de la referencia (Chotickai & Bowman, 2006),
se presentaron los resultados del trabajo de investigación que se realizó para evaluar el
comportamiento a fatiga de puentes carreteros de acero en el corredor de peso extra pesado
en el noroeste de Indiana Estados Unidos. El propósito del estudio fue evaluar el tipo y la
magnitud de las cargas que viajan a lo largo del corredor y luego evaluar el efecto de dichas
cargas en la resistencia a la fatiga de los puentes de acero en el corredor. Un modelo de carga
de fatiga fue desarrollado sobre la base de un camión de fatiga de tres ejes y cuatro ejes para
representar con precisión el daño causado por la fatiga de la historia del camión de carga real.
Un modelo de daño por fatiga también se desarrolló utilizando una base de datos estadísticos
de parámetros de resistencia para evaluar la resistencia a la fatiga por un nivel de seguridad
seleccionado por el usuario.
Presentado como un estudio de caso, (Lima et al., 2008) realizaron una revisión de la
literatura sobre la evaluación de la fuerza de la corrosión de piezas de acero remachadas. La
razón para la selección de la estrategia de rehabilitación para el puente se describe, junto con
la metodología mediante la cual los miembros principales fueron identificados para su
sustitución. La necesidad de respetar la apariencia del puente para encontrarse con los
estatutos locales de protección históricos agravado la dificultad del trabajo de diseño.
Hay un gran número de puentes metálicos de ferrocarril remachados en la red del Reino
Unido y puentes de ferrocarril en Europa y América del Norte, en muchos casos superior a
los 100 años de edad. (Righiniotis, Imam, & Chryssanthopoulos, 2008) Hay una necesidad
de desarrollar una metodología para la evaluación de la fatiga de estos puentes de ferrocarril
con el fin de decidir si puede ser reutilizado con seguridad o si el daño de fatiga se puede
esperar en un futuro próximo. Dado que el fenómeno de fatiga está lleno de incertidumbres,
un enfoque probabilístico es más adecuado para proporcionar estimaciones de la resistencia
a la fatiga de puentes de ferrocarril remachados.
Varios investigadores (Fessel, Broughton, Fellows, Durodola, & Hutchinson, 2009),
recientemente presentaron los resultados de un trabajo llevado a cabo para evaluar el
comportamiento a la fatiga a través de las uniones soldadas. Materiales base y características
diferentes de deformación plástica, aplicando efectos de longitud no soportada, se compara
con una fuerza determinada. Los resultados de esta investigación muestran que las mejoras
obtenidas en condiciones de pruebas estáticas se traducen en beneficios aún mayores en la
fatiga. También explican el mecanismo de fallo de las uniones bajo la carga de fatiga.
Graves daños por corrosión localizada se han observado en los elementos de acero en la
frontera con hormigón en algunas estructuras de acero. En la investigación liderada por
31
Kainuma et al, ensayos de fatiga se realizaron en muestras corroídas por las pruebas de
exposición acelerada para investigar el comportamiento a fatiga de la corrosión de los
elementos estructurales de los límites con el hormigón. Se realizaron análisis de esfuerzos
en elementos finitos (FE) en los modelos de las superficies oxidadas de las muestras y las
superficies de la corrosión simulados, para investigar la concentración de tensión en el foso
de corrosión en las proximidades de la frontera. Los resultados experimentales y analíticos
aclaran los comportamientos de fatiga de las placas de acero corroídas en los límites con el
hormigón. (Kainuma & Hosomi, 2009).
Alambres oxidados obtenidos a partir de la disección de cables de acero paralelos que fueron
utilizados en un lugar determinado de un puente atirantado y las propiedades de fatiga de
corrosión del cable de alambre en paralelo son investigados por el método de simulación de
Monte Carlo. De las comparaciones entre la información de diseño original y los resultados
de ensayo de fatiga, se puedo observar que las corrosiones hacen que la vida de fatiga de
los cables decrezca bruscamente. La resistencia a la fatiga del alambre individual es descrita
por la distribución de Weibull considerado algunos parámetros útiles, tales como, rango de
tensión, media de tensión, resistencia estática y los efectos de longitud. Los efectos del
porcentaje de rotura de cable, clave en el parámetro de la curva SN de la fatiga se discuten.
Se concluyo que la vida de fatiga del cable está controlada por una pequeña fracción de los
alambres del cable con las cortas vidas de fatiga. Por último, las curvas SN de cable se
calculan mediante simulaciones de Monte Carlo en base a los resultados de la prueba
individual de la fatiga del alambre, y en comparación con los resultados de la prueba de fatiga
del cable. (Lan & Li, 2009).
En 2010 (Liu, Frangopol, & Kwon, 2010) realizaron una evaluación de la confiabilidad a la
fatiga de distorsión inducida por la fisuración en puentes de acero que integran datos de
monitoreo. La evaluación de la confiabilidad a la fatiga de los detalles de conexión se basa
en el enfoque utilizado en las especificaciones de diseño AASHTO estándar, con toda la
información necesaria desde el modelado de elementos finitos (FEM) y el monitoreo de la
capacidad estructural (SHM). Tanto la carga de tránsito en el plano y fuera del plano
desplazamientos relativos se consideran, junto con diferentes condiciones de frontera en la
conexión. La principal causa de las fisuras de fatiga observadas antes de rehabilitarlo se
identifica como los desplazamientos relativos fuera del plano, mientras que la fatiga potencial
de formación de grietas en el reinicio después de la remodelación depende de las condiciones
de contorno y los lugares críticos que pueden ser identificados a partir de la validación FEM.
(Liu et al., 2010)
En Estados Unidos se ha desarrollado un manual para ayudar a la ingeniería de puentes,
mediante el establecimiento de procedimientos de inspección y el uso de prácticas de
evaluación que cumplen con las Normas Nacionales de Inspección de Puentes (NBIS). Este
manual es el Manual for Bridge Evaluation, 2nd Edition. 2011, AASHTO. El manual se ha
dividido en ocho secciones, cada sección representa una fase distinta de una inspección
32
general del puente y el programa de evaluación. Este manual sustituye a los Manuales de
Evaluación de condiciones de AASHTO 1998 para Puentes de la AASHTO 2003 y el Manual
Guía para la Evaluación de condiciones y la carga y régimen de factor de resistencia (LRFR)
de los puentes de las autopistas. También reemplaza el Manual de Evaluación para puentes,
primera edición. Sirve como una norma única para la evaluación de los puentes de las
autopistas de todo tipo.
A pesar de la gran cantidad de investigación, de normatividad reevaluada, y de la
investigación llevada a cabo por Muñoz et al, aún en Colombia no se define una metodología
que sea incluyente de las diversas bondades de la investigación vigente.
Razón ésta es por la cual, el presente trabajo de investigación propone de manera general
pero incluyente, guías, normas, monitoreo, investigación de materiales y modelación de
elementos finitos como herramientas necesarias para determinar vidas en fatiga de manera
aproximada.
33
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Adaptar una propuesta metodológica para la evaluación de la fatiga en puentes existentes de
acero, cuyos elementos y uniones han sido rehabilitados y/o presentan síntomas de corrosión.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Identificar cuáles de los criterios seleccionados de las metodologías existentes, tales como
AASHTO y Eurocódigo, son aplicables a puentes que hayan sido rehabilitados o atacados
por corrosión, para la correspondiente evaluación de fatiga.
Concebir una propuesta metodológica para la evaluación de fatiga en puentes existentes de
acero, a partir de los fundamentos de las metodologías (AASHTO y Eurocódigo) que sean
aplicables a puentes que ya hayan sido rehabilitados y/o que tengan corrosión.
Validar la propuesta metodológica objeto de esta investigación con escenarios probables
asumidos y por medio de su implementación en un puente de acero existente de la red
nacional.
34
MARCO TEORICO
Se conoce la fatiga como la situación en que los elementos de una estructura o sus
componentes están sujetos o expuestos a cargas variables en el tiempo, cargas cíclicas que
aunque con niveles de carga muy inferiores a la resistencia máxima de los componentes de
la estructura hacen que se creen o se propaguen grietas que a la final originan un fallo por
fractura en los mismos, que en muchas de las ocasiones por lo general es catastrófico.
Los sistemas mecánicos utilizados por los seres humanos en el desarrollo de sus actividades están
sometidos durante su funcionamiento a cargas variables con el tiempo. Estas cargas pueden ser producidas
por fenómenos mecánicos, variaciones de temperatura, presencia de ambientes corrosivos, etcétera, así
como por la combinación de dos o más de estas causas. La aplicación continuada de estas cargas puede
llevar a la aparición de pequeñas grietas en el material. Estas grietas se inician por lo general en la
superficie, progresan a través del material, reduciendo la capacidad portante del componente y pueden
acabar desembocando en su fractura. Dicho fenómeno se conoce como fallo por fatiga y es el responsable
de más del 50% de los fallos en componentes mecánicos. (López González, 2011).
Figura 4.1 Diagrama S-nc o diagrama de Wöhler. Fuente Adaptada (Shigley, 2011).
35
El esquema de la figura 4.1 no es más que un diagrama denominado S-N o diagrama de
Wöhler debido al ingeniero alemán August Wöhler quien a mediados del siglo 19 se dice que
realizo una serie de pruebas sobre unas probetas de acero que fueron sometidas a una carga
con flexión giratoria, estas pruebas relacionaron los niveles de esfuerzo sobre los cuales se
sometían estas probetas con los ciclos de carga que soportaban hasta la falla. (Wöhler, 1860).
El eje de ordenadas del diagrama SN (esfuerzo - número de ciclos ) se denomina esfuerzo o
resistencia a la fatiga Sf, el cual corresponde al esfuerzo máximo al cual está sometido la
probeta, una expresión de resistencia a la fatiga Sf siempre debe ir acompañada de un número
de ciclos de esfuerzo N.
Los puntos en el diagrama son los puntos reales de falla que son aquellos obtenidos en la
serie de ensayos a fatiga, las líneas del diagrama lo único que representa son las
aproximaciones de dichos puntos.
Los diagramas SN pueden determinarse bien para una muestra de ensayo o de un elemento
mecánico real. Incluso cuando el material de la muestra de ensayo y la del elemento mecánico
son idénticos, habrá diferencias significativas entre los diagramas para los dos.
En el caso de los aceros, una articulación se produce en el gráfico, y más allá de esta
articulación no se producirá la falla no importa cuán grande es el número de ciclos. El
esfuerzo correspondiente a la articulación se llama el límite de resistencia Se, o el límite de
fatiga.
De la figura 4.1 se puede determinar que entre menor sea el esfuerzo al cual es sometido la
probeta se tendrán mayores duraciones en cuanto al número de ciclos de esfuerzo.
El diagrama para muchos aceros es muy semejante al mostrado en la figura 4.1 por la curva
ABC. La curva tiene un doblez en S = Se y N = 1x106 ciclos, en donde el esfuerzo que produce
la falla permanece constante, por lo tanto esto nos muestra que si la probeta se somete a un
esfuerzo menor que Se, ésta no fallará y tendrá una vida infinita.
Este diagrama es de gran importancia ya que dependiendo las características del material en
este caso del acero con el podemos determinar los límites de fatiga o la resistencia a la fatiga
para un número de ciclos determinado de un elemento de una estructura con características
muy similares.
El rendimiento óptimo de un puente bajo cargas normales de servicio es esencial para la
utilización plena y efectiva de los automovilistas. Los problemas que se producen como
consecuencia de las desviaciones excesivas, el deterioro de sus condiciones, o agrietamiento
por fatiga de las vigas de acero o vigas bajo cargas normales de servicio operativo pueden
causar problemas y fallos por fractura de sus elementos estructurales por lo tanto a este tema
de la fatiga se le debe prestar mucha atención ya que los puentes en especial los de acero
están sometidos a cargas cíclicas.
36
En casos extremos, el funcionamiento inadecuado de servicio puede requerir que porciones
de un puente sean cerradas, ya que está siendo reparado, o el puente puede necesitar ser
reemplazado por completo. Por otra parte, las operaciones de reparación también representan
un peligro para la seguridad, tanto para los automovilistas y el personal de la construcción.
Claramente, existe la necesidad de desarrollar métodos modernos y eficaces para evaluar la
capacidad de servicio de una estructura en este caso de un puente de modo que el rendimiento
óptimo se pueda lograr. Como una solución estandarizada y práctica en Estados Unidos se
trabaja con el Manual AASHTO 2011 para la Evaluación de Puentes.
Este proyecto de investigación tiene un enfoque en la Sección 7 “Fatigue Evaluation of Steel
Bridges” en el manual AASHTO para la evaluación de puentes (MBE) Segunda edición
publicada en 2011. La MBE combina el manual para la evaluación del estado de los puentes,
segunda edición ( 2000 ) y sus revisiones de 2001 y 2003 transitorios con el Manual Guía
para la evaluación de condiciones, factores de carga y valoración de resistencia ( LRFR ) de
puentes de carreteras , Primera edición 2005 y sus revisiones provisionales.
En Europa debido a la demanda de volumen de mercancías por ferrocarril y por carretera, el
tránsito se ha incrementado significativamente en los últimos años y llevaron a la creciente
cantidad de vehículos pesados en los flujos de tránsito y una mayor explotación de sus
capacidades de carga (Kuehn et al., 2008). De acuerdo a consideraciones ambientales
también hay una tendencia a aumentar aún más las cargas admisibles en el diseño de nuevos
vehículos pesados (por ejemplo, mediante el aumento de las cargas por eje o el uso de los
trenes de carretera). Todo esto puede afectar a la seguridad, capacidad de servicio y la
durabilidad de los puentes existentes.
las autoridades de los puentes son por lo tanto las más interesadas en métodos acordados
para evaluar la seguridad y la durabilidad de los puentes existentes y elaborar las
disposiciones apropiadas para los métodos de mantenimiento más refinados, la posible
restricción del tránsito, la rehabilitación de puentes o sustitución de viejos puentes por otros
nuevos cuando sea necesario .
Para puentes de acero, incluyendo los antiguos remachados existen numerosos métodos para
dichas evaluaciones, en parte estandarizadas por códigos o recomendaciones nacionales. A
la luz del desarrollo del mercado único europeo para las obras de construcción y servicios de
ingeniería se crea la necesidad de armonizarlos y elaborar recomendaciones técnicas
europeas acordadas para la seguridad y la evaluación de la durabilidad de las estructuras
existentes. Estas recomendaciones deben seguir los principios y las reglas de aplicación de
los Eurocódigos y proporcionar un esquema con diferentes niveles de análisis: un nivel básico
con los métodos generales y más niveles con una mayor sofisticación que exigen
conocimientos técnicos específicos.
La Convención Europea para la Construcción Metálica (ECCS) tiene en su Comité Técnico
6 - Fatiga (que también sentó las bases para EN 1993 - Eurocódigo 3 - Parte 1-9 - Fatiga)
acordó apoyar la preparación de tales recomendaciones europeas en técnicas " para la
estimación de la vida útil restante de la fatiga“, que podría utilizarse como base para la
armonización de los procedimientos nacionales y para la futura evolución de los
Eurocódigos.
37
Para la realización de esta investigación se hace necesario la utilización del Eurocodigo 3,
parte 1-9 de Fatiga, para la estimación de la vida restante a fatiga de los elementos del puente
de caso de estudio.
En Colombia no hay una metodología clara para la evaluación de la fatiga en puentes antiguos
y tampoco hay lineamientos para el diseño de estructuras nuevas que sean revisadas ante
dicho fenómeno.
4.1. Teoría de la mecánica de la fractura
La mecánica de la fractura se ha promovido desde los materiales metálicos, que han sido
tradicionales en la ingeniería, los cuales siendo valiosos en la construcción y como elementos
estructurales, a lo largo de la historia han sufrido roturas frágiles las cuales han llevado al
estudio y modelización de su comportamiento.
Un estado de tensiones de una grieta en un sólido se puede presentar de tres maneras
diferentes, o modos de apertura de grieta como se muestra en la figura 4.2. Modo I, cuando la tensión es normal y además perpendicular al plano de grieta. Modo II, cuando los
desplazamientos de las superficies de la grieta son perpendiculares al plano de la grieta y los
esfuerzos cortantes son paralelos al plano de la grieta. Modo III, cuando los esfuerzos
cortantes son paralelos al plano de la grieta y los extremos de esta se mueven en dirección
paralela el modo de apertura de la grieta es de desgarramiento. El caso general de tensiones
en un sólido se describe mediante la superposición de los modos de apertura descritos
anteriormente. Técnicamente el más importante y donde las discusiones se centran es
generalmente el Modo I de fractura. El menos frecuente es el Modo II el cual se produce
cuando se tienen grietas sobre planos que forman ángulos de 90º. Y por último el Modo III
se genera en barras con grietas las cuales están sometidas por lo general a esfuerzos de
torsión. (Arana Bilbao & González Martínez, 2002)
a b c
Figura 4.2 Modos de apertura de grieta: a) modo I, b) modo II y c) modo III. (Restrepo & others, 2013)
38
4.1.1. Crecimiento de grieta.
Los autores de la referencia (Paris, Gomez, & Anderson, 1961), utilizando los conceptos de
la mecánica de la fractura propusieron una ley empírica la cual unificaba todos los datos
experimentales de crecimiento de grietas por fatiga. Ley conocida universalmente como
“Ecuación de Paris”, la cual es expresada por:
𝑑𝑎
𝑑𝑁= 𝐶(∆𝐾)𝑚 (1)
Donde: 𝑑𝑎
𝑑𝑁 es el incremento de longitud de la grieta por cada ciclo de fatiga y ΔK el intervalo
cíclico del factor de intensidad de tensiones, definido anteriormente.
C y m son constantes que dependen del material y se determinan experimentalmente. El
exponente m está situado entre dos y cuatro para aleaciones dúctiles. Estas constantes
dependen de valores propios del material, como es la microestructura, y de las condiciones
ambientales, como el propio ambiente y su temperatura.
Los valores de da/dN, para diferentes condiciones de carga, se determinan
experimentalmente a partir de los cambios de longitud de grieta tras un cierto número de
ciclos como se muestra en la figura 4.3.
Figura 4.3 Evolución de la longitud de grieta frente al número de ciclos Fuente Adaptada (Shigley, 2011).
39
Figura 4.4 Ritmo de crecimiento de grieta frente a ΔK. Fuente Adaptada (Shigley, 2011).
En la figura 4.4 se han representado las tres Regiones de propagación por fatiga con una
referencia a los mecanismos de crecimiento de grieta en cada una de las regiones. La
utilización de la ecuación de Paris en la región I daría lugar a la estimación de una vida menor
que la real y por lo tanto estaría del lado de la seguridad. Sin embargo, en la región III, el
crecimiento de grieta la ecuación de Paris se acelera fuertemente. La extensión de la ecuación
de Paris a la región III tiene generalmente poca importancia en cuanto a la estimación de la
vida de componentes diseñados en base a la propagación subcrítica de grietas, que se
considera en la región II. Las tres regiones de propagación responden a mecanismos básicos
diferentes.
4.2. Corrosión con fatiga
El efecto de la corrosión cuando además está acompañado de la fatiga, es el producto de la
combinación de las cargas cíclicas y un medio ambiente agresivo que generan la creación o
la propagación de grietas es decir fallas por fractura en los materiales metálicos. Este
fenómeno es producido en un gran número de aleaciones de metales en ingeniería en la
presencia de una gran variedad de ambientes y es quizás una de las más importantes causas
de los fallos de los elementos que compones muchas de las estructuras en la ingeniería. Para
la predicción de la vida en servicio, el control de la fractura y el desarrollo de la resistencia
40
a fatiga de las aleaciones metálicas es importante tener conocimiento tanto de los mecanismos
como de la caracterización del cambio de los procesos producto de la fatiga con corrosión,
(Arana Bilbao & González Martínez, 2002).
Según (Arana Bilbao & González Martínez, 2002), la característica más importante y la
primera que se determina en los procesos de corrosión con fatiga es que las velocidades con
la que se desarrolla el crecimiento de las grietas son superiores y en varios casos mucho más
elevadas que los procesos de fatiga y además dependen de un gran número de variables tanto
químicas como electroquímicas que obviamente estas no se encuentran presentes en otros
ambientes absolutamente benignos y que no son causantes de ninguna modificación dentro
de las condiciones del proceso de grieta en el proceso de la aplicación de las cargas cíclicas
que van a generar la fatiga del material en estudio.
Arana y González han propuesto varias hipótesis sobre los mecanismos que gobiernan los
procesos de corrosión con fatiga. El mecanismo generalizado de corrosión-fatiga involucra
la presencia de un agrietamiento inducido por el hidrógeno causante de la rotura de la capa
de óxido en el borde de la grieta. Los autores en mención también establecen que es muy
difícil poder determinar una diferencia y analizar la acción de estos fenómenos por separado.
Además muchos investigadores afirman que estos procesos compiten entre sí de manera que
en cada caso el que participa en mayor magnitud es solamente uno de los dos y por
consiguiente el otro puede pasar por inadvertido. Infortunadamente el mecanismo no es muy
claro y además ambos procesos son interdependientes y pueden operar tanto
simultáneamente como secuencialmente. (Arana Bilbao & González Martínez, 2002).
Según los investigadores de la referencia anterior en los procesos de corrosión con fatiga, el
hidrogeno es producido por la reacción con los agentes presentes en el medio ambiente,
gaseosos en el caso del vapor de agua, líquidos como es el agua y enseguida con el nuevo
material agrietado en el inicio de la grieta, este es absorbido por la superficie de metal y
conducido por difusión o deslizamiento de dislocaciones, a la zona del inicio de la grieta
donde se desarrollan altas tensiones y por ende el crecimiento de la grieta incrementa
significativamente puesto que hay un daño localizado únicamente producto del fenómeno de
fatiga.
41
METODOLOGIA EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES
EXISTENTES EN ARCO
A continuación se presenta cada una de las fases y etapas de la metodología propuesta, basada
en los antecedentes y marco teórico antes mencionado, con su correspondiente descripción,
toda esta metodología se encuentra planteada en un plano ver Anexo No. 1.
Los pasos a tener en cuenta en esta metodología son los siguientes:
a) Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga y/o
corrosión
b) Cargas variables en el tiempo
c) Patología estructural
d) Inspección Visual
e) Ensayos no destructivos (END)
f) Ensayos destructivos (ED)
g) Información de primera categoría
h) Información histórica y actual del tránsito
i) Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación
j) Vida remanente a fatiga
5.1.Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga
y/o corrosión
En esta fase es necesario identificar cual es la tipología de la superestructura y la
infraestructura.
Con respecto a la superestructura, los puentes de arco en acero:
Son superestructuras que constan de dos arcos laterales con arriostramiento superior, pendolones y
vigas de rigidez. Estos arcos trabajan generalmente a esfuerzos de compresión con una flexión pequeña
y las vigas de rigidez especialmente a flexión. El tablero consta de losa de concreto reforzado y vigas
de acero apoyado en la viga de rigidez. Los vehículos pasan por debajo de este tipo de estructuras, las
luces que se logran son importantes, (E. Muñoz, 2013a).
Esto es fundamental para conocer cuál es la forma del comportamiento estructural del puente,
ver figura 5.1.
42
Figura 5.1 Tipología puente en arco. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
5.1.1. El Arco
Los puentes en arco por lo general trabajan transfiriendo su peso propio y las cargas
dinámicas debidas a los vehículos hacia los apoyos mediante la compresión del arco.
El arco puede ser una viga de celosía, una viga en cajón, una viga armada o algún tipo de sección hueca
(p. ej., circular). Lo ideal sería que, por motivos estéticos, el arco siguiera un perfil curvo continuo y
suave. No obstante, la curvatura global de la barra del arco también puede obtenerse por medio de una
serie de cordones rectos cortos. Las péndolas se sujetan en los cambios de pendiente del arco. En este
tipo de arco, se generan fuerzas fuera del plano en las alas superior e inferior de la barra del arco,
siendo necesarios un pórtico transversal o un diafragma internos. Cuando se utilizan perfiles laminados
o soldados, en lugar de cables, para las péndolas, la unión de las péndolas al arco puede realizarse
mediante un detalle en el que se formen empalmes con platinas de alma prolongadas de la barra del
arco. Aun cuando exista arriostramiento entre arcos en la parte central del tramo, quizás se tenga que
suprimir cerca de los extremos del arco, con el fin de proveer espacio libre para el tránsito de vehículos
pesados. (ITEA s.f.)
5.1.2. La viga de rigidez
La función principal de la viga de rigidez es la de recibir las cargas que actúan en el tablero
del puente y repartirlas uniformemente distribuidas sobre los pendolones o péndolas. La viga
de rigidez puede ser una viga en I, una viga cajón o cualquier otro tipo de sección hueca. Las
43
vigas de rigidez deben permitir el buen comportamiento estructural del puente funcionando
estas a la par con el tablero, permitiendo una rigidez torsional prominente.
Si se examina más detenidamente el arco con tirante, se advertirá que el arco y la viga a menudo están en
planos verticales separados; por lo tanto, el arco está unido excéntricamente a la viga. Cualquier
excentricidad de este tipo debe tenerse en cuenta en el proyecto. En cuanto a una viga de rigidez, o una
sección abierta en forma de “omega”, se obtiene una excelente conexión entre el arco y la viga utilizando
dos cubrejuntas, que coincidan con las paredes de la viga de rigidez. (ITEA s.f.).
5.1.3. Los pendolones o péndolas
Los pendolones o péndolas son elementos cuya función la de transmitir las cargas del tablero
del puente y de las vigas de rigidez a los elementos que conforman el arco.
Para las péndolas pueden utilizarse vigas I (soldadas o laminadas), secciones huecas circulares o cables.
Las opiniones difieren en cuanto a la elección óptima de la sección. Los cables están fabricados en acero
de alta resistencia. Debido a los altos niveles de tensión que tienen lugar y a los efectos de la fluencia, se
produce un alargamiento que es parcialmente elástico (es decir, recuperable) y parcialmente permanente.
No obstante, para puentes de carreteras y puentes de ferrocarriles con o sin balastro continuo, se han usado
cables con éxito. (ITEA s.f.).
5.2.Cargas variables en el tiempo
Los puentes a evaluar en esta metodología son aquellos que están sometidos durante su
funcionamiento a cargas variables con el tiempo. Estas cargas pueden ser producidas por
fenómenos mecánicos, efectos del tránsito, variaciones de temperatura, presencia de
ambientes corrosivos, etc., así como por la combinación de dos o más de estas causas.
La aplicación continuada de estas cargas puede llevar a la aparición de pequeñas grietas en
zonas donde se presentan concentraciones de esfuerzos, como en el arco, en la viga de rigidez
ya sea en conexiones remachadas, soldadas o atornilladas, en láminas de unión o cartelas,
pendolones, arriostramientos, apoyos, etc.
5.3.Patología Estructural
Se propone en la siguiente fase una metodología de inspección y diagnóstico estructural
incorporando la utilización de normas ASTM, AWS y CCDSP, para determinar las
sintomatologías estructurales, apoyado por la ejecución de trabajos de campo consistentes
en inspecciones visuales, ensayos destructivos y no destructivos, en puentes de acero en arco
existentes.
5.3.1. Inspección visual por daños fatiga y/o corrosión
Las técnicas de inspección visual son los principales métodos utilizados para evaluar la
condición de la mayoría de las estructuras de los puentes. Con el fin de realizar unas
44
evaluaciones subjetivas las cuales pueden tener un impacto significativo en la seguridad y el
mantenimiento de un puente. El conjunto de información generada durante una inspección
de rutina es una serie calificaciones asignadas de acuerdo a las condiciones de cada uno de
los elementos tanto de la superestructura como de la subestructura del puente en estudio.
Estas calificaciones de condición dan una medida general del estado de un puente teniendo
en cuenta la gravedad del deterioro en el puente y el grado en el que se distribuye a través de
cada componente. Las calificaciones asignadas a cada elemento se basan en un conjunto
estándar de definiciones asociadas con puntuaciones numéricas que pueden ser por ejemplo
entre cero (no) y nueve (excelente estado). Las agencias de inspección pueden usar estas
clasificaciones para rastrear deterioro y de esta manera poder realizar el respectivo
mantenimiento. Inspecciones a nivel de cada elemento se basan en definiciones específicas
de elementos para clasificar la estructura del puente y describir cualquier deterioro observado
utilizando una condición de estados definidos. (Phares, Rolander, Graybeal, & Washer,
2001).
Las técnicas de inspección visual son técnicas de pruebas no destructivas con las que se puede
llegar a detectar una gran variedad de defectos o deterioros como la corrosión, defectos en
conexiones soldadas, discontinuidades de superficies, generación de grietas producto de
fallas por fractura en zonas en donde se originan concentraciones de esfuerzos por lo general
cuando se presenta la combinación de corrosión con fatiga la cual es una de las culpables de
la ocurrencia de fallas por lo general catastróficas en las estructuras en los puentes de acero.
Por lo anterior es de suma importancia desarrollar una buena planeación de la inspección de
una manera ordenada y sobre todo muy eficiente con el fin de contar con datos precisos para
realizar un trabajo detallado para así poder discernir cuales serían las mejores soluciones de
acuerdo al grado de afectación o deterioro de cada uno de los componentes de la estructura
del puente.
5.3.1.1. Zonas de inspección visual de mayor importancia en puentes de arco
5.3.1.1.1. Conexiones remachadas
Es importante verificar la corrosión en estas conexiones como también bajo la cabeza de los
remaches, también detectar posibles grietas de fatiga (ver figura 5.2) y en los casos en que
sea fácil de detectar se sugiere tomar las medidas necesarias en el intervalo de tiempo entre
la detección de grandes grietas y una sección de falla completa y proceder a su refuerzo.
En caso de ausencia de remaches, hacer la sustitución de los remaches en regiones críticas
por pernos de alta resistencia y así aumentar la vida de fatiga de aquellos miembros.
45
Figura 5.2 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
5.3.1.1.2. Conexiones soldadas
En las conexiones soldadas se presentan diferentes zonas de propagación de grietas por fatiga
(ver figura 5.3), y en particular se debe reconocer el daño potencial asociado con detalles de
soldadura
Cuando las soldaduras se encuentren deficientes en cuanto a su calidad y no cumplan con las
especificaciones y normas, tendrán que ser removidas por medio de procesos adecuados y
efectuarse nuevamente.
Para las especificaciones de procedimientos e inspección de soldadura de un Puente se deben
seguir las provisiones del Código AASTHO/AWS D1. 5. CODE, Bridge Welding.
ANSI/AASHTO/AWS D1. 5-96. American Association of State Highway and
Transportation Officials and American Welding Society. (AASHTO/AWS, 2010).
Figura 5.3 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
46
5.3.1.1.3. Conexiones con tornillos
Conexiones mecánicas mediante el empleo de pernos tienen una vida de fatiga significativamente mayor
que conexiones soldadas equivalentes, por lo tanto este método de unión debe ser considerado en nuevos
trabajos y en la reparación de componentes soldados agrietados. En este caso se pueden emplear secciones
de platinas ensambladas mediante pernos para proveer trayectorias nuevas de carga, restringiendo el
movimiento de grietas existentes. Por lo general en uniones mecánicas mediante el empleo de pernos, las
grietas de fatiga se presentan en el material unido y no en los elementos de unión. (Albañil, Mora, & Mora,
2002).
Figura 5.4 Localización probable de fisuras producidas por fatiga en elementos de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
El tipo de fricción y alta resistencia de las uniones atornilladas (ver figura 5.4) deben ser
evaluados para verificar que todos los tornillos estén bien apretados. Se deben identificar
zonas de roce o de pintura rotos, o bien la corrosión alrededor de los pernos. Por ejemplo, la
presencia de polvo de plomo rojo y manchas de corrosión cerca de la conexión es una
indicación de la abrasión provocada por el deslizamiento de la articulación.
Los miembros de los puentes de acero están conectados por soldadura, pernos y remaches.
La pérdida de pernos o remaches pueden ser ocasionados por fallas de fatiga. Los pernos o
los remaches en la conexión de los miembros deberá ser verificada cuidadosamente y el
número de pernos o remaches faltante deberá ser registrado dentro de la inspección y
colocados de forma inmediata.
Se deben inspeccionar las platinas de las conexiones de elementos sometidos a tensión, verificando que
éstas no presenten fisuras o roturas transversales en las zonas donde se encuentran los pernos. Estas fisuras
por lo general son ocasionadas por esfuerzos que sobrepasan el límite de fluencia del material, en el área
de la sección perforada por los pernos. (DE & FLEXIBLES, s. f.)
47
5.3.1.1.4. Láminas de unión o cartelas
Se debe verificar que los ejes de los elementos que llegan a las conexiones de las celosías coincidan en el
mismo punto y no tengan excentricidades. El Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes establece
“la excentricidad en los detalles de conexión tiene una gran influencia sobre la resistencia del elemento y
consecuentemente, justifica una verificación más a fondo”. La notificación de este daño se debe realizar
por número de conexiones en las cuales se presente excentricidad. (DE & FLEXIBLES, s. f.).
Hay que determinar los aplastamientos en las platinas si los hay, este se produce en el contacto entre los
conectores y la platina a causa de los esfuerzos de compresión entre los dos elementos. Se manifiesta por
medio de una deformación en el orificio del perno en el sentido que se aplica la carga. La cuantificación
de este daño se debe realizar por número de conexiones en las cuales se presente por lo menos una
deformación de la platina por aplastamiento. Verificar en este tipo de conexiones si hay o no
desgarramiento pues este tipo de falla es uno de los más críticos en conexiones, ya que de no remediarse a
tiempo puede ocasionar el colapso de la estructura. Se presenta cuando los conectores se encuentran cerca
al borde de la platina y ésta no tiene la capacidad suficiente para absorber los esfuerzos de compresión en
el contacto con dichos elementos. (DE & FLEXIBLES, s. f.).
5.3.1.1.5. Arco
Para la revisión de estos arcos es necesario tener en cuenta los alineamientos, tanto
horizontales como verticales, se deben verificar cualquier tipo de pandeos o deformaciones,
se debe revisar también la sección y si conserva sus dimensiones originales o ha perdido
sección con respecto a la original a causa de la corrosión, se debe verificar sus conexiones,
si posee soldaduras o uniones pernadas, el correcto funcionamiento de estas, evaluar la
existencia de fisuras por fatiga, es además revisar si existen excentricidades o
desplazamientos en estas uniones o en los arcos, se evaluará si es necesario hacer una
inspección especial, y en caso de la presencia de fallos es importante llevar registro
fotográfico.
5.3.1.1.6. Pendolón
Los pendolones son elementos que generalmente trabajan a tracción, y le ayudan a la
estructura a mejorar su rigidez y su comportamiento con respecto a los vientos, en especial
son atacados por la corrosión por picadura que les puede generar fallas por fatiga además es
necesario verificar el funcionamiento de sus conexiones, para revisar si existen
excentricidades, o si están trabajando correctamente aportando a la estructura la suficiente
rigidez.
5.3.1.1.7. Viga de rigidez
Para la revisión de estas vigas es importante verificar la sección de la misma, registrar si
existen cambios significativos en la sección a causa de la corrosión, se debe verificar si
existen pandeos o deformaciones excesivas por flexión de las vigas, además es necesario
revisar en general la viga con el ánimo de buscar imperfecciones que puedan ser causa de
iniciación de fisuras de fatiga especialmente cerca a las conexiones debido a que esas suelen
ser afectadas por concentraciones de esfuerzos.
48
5.3.1.1.8. Arriostramientos
Estos elementos estructurales secundarios le aportan rigidez y estabilidad a los arcos, debido
a su ubicación son vulnerables a tener empozamientos y ser atacados por corrosión, por tanto
se debe revisar bien este aspecto con el fin de determinar su posible afectación, además se
deben revisar las conexiones de los arriostramientos que generalmente son pernadas para
verificar su correcto funcionamiento de identificar si son causales de fatiga al arriostramiento,
se debe revisar además si existen deflexiones excesivas de estos elementos y si este
comportamiento genera problemas de fatiga.
El sistema de arriostramiento del puente incluye el sistema de piso y el arriostramiento lateral
y superior de una superestructura tipo cercha. En el área de conexión del arriostramiento es
necesario verificar la presencia de grietas en la soldadura o la pérdida de pernos y/o remaches.
También es importante revisar la torsión de los miembros de arriostramiento.
Muchos de los elementos de la cercha superior se dañan debido al paso de camiones de altura
superior al claro vertical del elemento inferior de la cercha. En caso de que el claro vertical
no sea suficiente, este elemento inferior debe ser sustituido
5.3.1.1.9. Apoyos
Se debe especificar el tipo de apoyo empleado ya sea tipo balancín (ver figura 5.5), rodillo
(ver figura 5.6 y 5.7), fijo (ver figura 5.8), entre otros así como su estado, son un punto débil
con respecto a la fatiga, debido a que si existen desplazamientos o asentamientos pueden
generar fallas en los elementos cercanos, se debe tener en cuenta su correcto funcionamiento,
verificar si existen excentricidades y su correcta ubicación, si son apoyos metálicos es
necesario revisar si tienen problemas de corrosión, además se requiere revisar si existen
fisuras relacionadas con fatiga y si se hace necesario se recomendará una inspección especial,
se hará el respectivo registro fotográfico en caso de encontrar daños.
Figura 5.5 Apoyo tipo rodillo de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
Figura 5.6 Apoyo tipo balancín de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
49
Para el caso de apoyos de acero hay que determinar las condiciones de corrosión ya sea por
falta de pintura de protección o un inadecuado mantenimiento. Esto afecta la capacidad de
carga, porque dicha corrosión produce una disminución en su sección y/o puede afectar sus
conexiones (soldadas, pernos, tornillos u otras).
Puede haber deterioro del acero por infiltración proveniente por las juntas de dilatación lo
cual afecta en gran manera su durabilidad, los impactos fuertes de los camiones en el tablero
pueden afectar la estabilidad y pérdida de posición de algunos apoyos en especial los de
acero. Los asentamientos de las pilas o estribos producidos por su inadecuada cimentación o
por socavación pueden afectar la estabilidad de los apoyos.
5.3.1.2. Verificación de espesores de soldadura filete
Esta actividad consiste en la verificación de las dimensiones de las soldaduras tipo filete presentes en
elementos de acero armado de los puentes (tipo cajón, viga I, entre otros). Este ensayo pretende constatar
que las dimensiones de dichas soldaduras sean apropiadas con respecto a las nuevas especificaciones que
la entidad establezca o que las normas de esta área especifiquen.
Para este ensayo se emplea una galga calibrada. De esta forma, se verifica si cumple con los tamaños
mínimos o si es el necesario establecido en el diseño. Existen diferentes tipos de galgas; la más común es
la que está compuesta por una serie de láminas de metal que han sido maquinadas para producir dos (2) de
contornes diferentes. Cada una de ellas se selecciona de acuerdo a un tamaño de soldadura en filete
requerido (Instituto de soldadura West-Arco)
Los resultados de estos ensayos deben encontrarse dentro de los criterios de aceptación y rechazo del
numeral D 1.5 de la AWS. (E. Muñoz, 2012).
5.3.2. Ensayos No Destructivos
5.3.2.1. Medidor de espesor remanente de acero estructural
Este ensayo consiste en la determinación del espesor remanente de perfiles de acero que contienen puentes
tipo como: arco, armaduras, vigas de acero de tableros mixtos, entre otros.
Figura 5.8 Apoyo tipo rodillo de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
Figura 5.7 Apoyo fijo de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012
50
Las especificaciones sobre el procedimiento y los equipos (ver figura 5.9) se pueden verificar empleando
la norma ASTM E797/E797M − 10. Existen equipos digitales transductores que, mediante las ondas
ultrasónicas, determinan el espesor de elementos metálicos entre 0.5 mm y 200 mm con un error de más o
menos el 2%. Para superficies accidentadas o corroídas, es necesario pulir la superficie en el sitio donde se
vaya a realizar la prueba; es un ensayo muy útil para la medición del efecto de la corrosión sobre miembros
metálicos importantes, con acceso solamente de un lado.
Antes de realizar las mediciones se debe aplicar un líquido de contacto (ver figura 5.10) en la zona de
prueba. Enseguida, se realiza la calibración del equipo que se efectúa por bloques de prueba para aleaciones
comunes de acero, o ajustando la velocidad del sonido hasta que se muestre el mismo espesor que puede
ser medido por un calibrador. (Muñoz, 2012).
5.3.2.2. Medidor de espesor de pintura
Consiste en la verificación del espesor de pintura de componentes de acero de los puentes tales como:
barandas, elementos de armaduras, vigas, arriostramientos entre otros.
Existen diversos equipos para medir el espesor de pinturas o recubrimientos, mediante el principio de la
incidencia entre una superficie electromagnética y una metálica (ver figura 5.11). Con estas mediciones se
certifican los espesores de la capa de pintura o recubrimiento necesarios para la protección de la estructura.
El procedimiento de este
Figura 5.9 Equipo para medir el espesor remanente
de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.10 Equipo para medir el espesor remanente
de acero.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.11 Medidor de espesor de pintura en puente
sobre carrera 5ª con calle 26 en la cuidad de Bogotá
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
51
Los criterios de evaluación dependen del tipo de elemento del puente y de los requerimientos de la
institución que este solicitando dicha labor. La evaluación también debe estar basada en la norma ASTM
D7091 – 13 y la del Steel Structures Painting Council. (E. Muñoz, 2012).
5.3.2.3.Verificación de torque en pernos o tornillos
Consiste en verificar el torque en pernos o tornillos que hacen parte de las conexiones de puentes de acero,
de tal forma que se esté seguro sobre su apretadura. Para esta labor se debe saber la calidad de los pernos
por las marcas, que deben estar grabadas en la cabeza y en las tuercas de cada uno de ellos, según el CCDSP
numeral B.4.3.1.8.3. En cuanto al ajuste del perno, este debe ser revisado para que tenga la tensión indicada
por el CCDSP según el artículo B.4.17.5.4 y Tabla B.4-3. El Código no indica el torque y este se debe
calcular por ensayos de laboratorio. (Muñoz, 2012).
El procedimiento de este ensayo se puede realizar basándose en la norma ASTM A325 – 14.
5.3.2.4. Verificación de remaches
Mediante el ensayo de golpe con martillo se prueba si los remaches están flojos o no, con lo cual se revisa
su estado, de tal forma que estén seguros sobre su apretadura. En los puentes metálicos estos remaches
pueden estar sometidos a un proceso de evaluación y mantenimiento en el cual los nuevos serán calentados
en fragua y utilizando como combustible carbón coke, hasta una temperatura que permita un color rojo-
blanco parejo en los remaches. El tiempo que medie entre el retiro desde la fragua y el traslado y la
colocación del remache, debe ser mínimo para evitar que se enfrié, lo que provocaría problemas posteriores.
En todo caso, se rechazarán todos los remaches que presenten deficiencias como falta de cierre en las
cabezas de fábrica o de taller, jibarización de la cabeza por falta de material (remaches cortos), grietas
producidas por enfriamientos bruscos y falta de alineación en hiladas de remaches. Una vez frio el remache
se procederá a revisarlo para verificar que haya quedado bien instalado; para tal efecto se dispondrá de un
martillo manual, y mediante golpes en las cabezas se determinará, por el sonido y las vibraciones, que el
remache este bien asentado. Se deberán retirar los remaches sueltos y escariar todos los orificios de una
sobre medida, para instalar posteriormente nuevos pernos de acuerdo con la nueva medida de los diámetros
de los orificios.
La tensión de ajuste de estos remaches está dada por el acortamiento que se produce en ellos al enfriarse y
porque llenan los vacíos que se producen en las diferencias que existen entre las perforaciones. (E. Muñoz,
2012).
5.3.2.5.Pruebas de sanidad
Estas pruebas son utilizadas rutinariamente en la calificación de la soldadura y de los procedimientos
realizados por los soldadores. Consiste principalmente en la extracción de probetas a las cuales se les puede
realizar uno de los tres tipos de pruebas de sanidad que se mencionan a continuación:
Prueba de doblez: es la más usada y la que permite juzgar, de una manera acertada, la habilidad del
soldador. Existen diferentes tipos de pruebas de doblez, la prueba estándar deforma la probeta en forma de
U luego de la aplicación de un punzón conocido como mandril o émbolo.
Rotura Nick: en esta prueba se juzga la sanidad de la soldadura cuando el espécimen ensayado es
fracturado, analizando las discontinuidades presentes en la superficie de la soldadura.
52
Fractura en filete: usada principalmente en la calificación de los soldadores; se suelda una probeta
formando un ángulo de 90º entre dos partes y luego se ensaya ubicando la probeta en forma de V invertida,
aplicando la carga en donde fue soldada.
Estos métodos de prueba deben ser conocidos por los inspectores de soldadura, quienes, a su vez, deben
familiarizarse con este tipo de ensayos para conocer los mecanismos de ejecución e interpretación. Los
procedimientos, equipos y criterios de evaluación de estas pruebas se encuentran especificados en la norma
AWS D.1.1. (E. Muñoz, 2012).
5.3.2.6. Tintas penetrantes
Consiste en un penetrante que permite identificar fisuras o discontinuidades superficiales (únicamente).
Hay un tipo de indicador visible que representa las discontinuidades en colores rojos sobre un fondo blanco
observadas bajo una fuerte luz blanca (ver figuras 5.12, 5.13, 5.14 y 5.15), y un indicador fluorescente con
indicación verdosa que se puede observar mediante una luz ultravioleta.
Las especificaciones de este ensayo se pueden realizar con base en las normas ASTM E165/E165M – 12 o
AWS D.1.1. En forma general su procedimiento es el siguiente:
a) Se debe asegurar que la superficie que se desea examinar esté libre de polvo, pintura o aceites,
para lo cual se recomienda el rociado de líquido 9PR5 para su limpieza.
b) Enseguida se procede con la aplicación del aerosol 996P(A) a la superficie, este líquido se debe
dejar trabajar de 10 a 15 minutos.
c) Se retira luego con papel o tela absorbente y se procede nuevamente a limpiar la superficie con la
aplicación d 9PR5 hasta que el aerosol 996P(A) sea retirado totalmente.
d) Se aplica el rociador 9D1 a la superficie, no sin antes ser agitado fuertemente; entonces, pasados
aproximadamente 10 minutos, se observan en las superficies líneas rojas indicando las grietas,
entre más gruesas sean estas líneas más profundas serán las grietas; en algunos casos, l aparición
de puntos rojos indicara porosidad.
e) Para finalizar se debe secar la superficie con papel limpio y enseguida realizar la aplicación de
pintura de aerosol anticorrosiva en toda el área.
Figura 5.13 Ensayo tintas penetrantes puente
Orito, Regional Putumayo.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.12 Ensayo tintas penetrantes puente
Orito, Regional Putumayo.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
53
Para los criterios de evaluación se deben tener en cuenta las recomendaciones de la norma. (Muñoz, 2012).
5.3.2.7. Partículas magnéticas
Se utiliza en materiales ferromagnéticos con el fin de detectar grietas o discontinuidades superficiales
ligeramente sub-superficiales, por medio de un campo magnético en el que las líneas de fuerza viajan a
través de un polo a otro (positivo a negativo), formando espirales continuas y paralelas.
Si la pieza de acero ha sido espolvoreada con partículas magnéticas pequeñas, estas será atraídas y
mantenidas en la discontinuidad, lo cual permite identificar donde hay grietas o discontinuidades.
Las especificaciones de este ensayo se pueden realizar basándose en las normas ASTM E709 14 o AWS
D.1.1. Existen diversos equipos para generar los campos magnéticos: electroimán, método “yoke”,
magnetismo circular (“head shot”), método de la puntas, etc. Esta prueba es especialmente conveniente
para soldadura de filete, donde ni la radiografía ni la prueba ultrasónica pueden ser usadas. El
procedimiento es el siguiente:
a) Se debe realizar una adecuada limpieza así como el secamiento de la misma.
b) Aplicar color de contraste en el área de prueba: se puede utilizar Castrol 710.
c) Acomodar el magneto en el lugar de inspección a través de sus pata ajustables; encenderlo.
d) Antes de la aplicación del aerosol, se debe agitar muy bien la lata con las partículas magnéticas.
Se puede utilizar el Supranior 4 Black.
e) Las irregularidades en la superficie estarán determinadas por líneas negras, las cuales interrumpen
las líneas del campo magnético. Estas deben ser registradas.
f) Se debe repetir el procedimiento, pero no sin antes generar una rotación de 90º.
g) Pequeñas áreas de prueba pueden desmagnetizarse apagando el magneto y jalando despacio el
área entre los polos. Cuando se prueban áreas grandes es más fácil quitar el magneto mientras está
conectado.
Para los criterios de evaluación se deben tener en cuenta las recomendaciones de la norma. (E. Muñoz,
2012)
Figura 5.15 Ensayo tintas penetrantes.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.14 Ensayo tintas penetrantes puente
Orito, Regional Putumayo.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
54
5.3.2.8. Ensayos de radiografía
La prueba se basa en el principio de transmisión de radiación preferencial para determinar discontinuidades
superficiales o profundas, permitiendo identificar fisuras internas que suelen ser de gran afectación. La
cantidad de radiación transmitida depende principalmente del área de espesor; si el área es de espesor
reducido, por consiguiente tendría menor densidad y, por lo tanto, la cantidad de radiación transmitida es
mayor; esta radiación pasa a través del objeto formando una imagen oscura sobre una película. En
consecuencia, las áreas de espesor mayor tienen mayor densidad; debido a esto la radiación no pasa
completamente a través del objeto porque en su mayoría es absorbida, mostrando entonces áreas claras
sobre la película.
Esta prueba permite identificar varias discontinuidades, tales como porosidad (produce áreas oscuras sobre
la película, porque presenta una perdida significante de material); inclusiones metálicas (produce áreas
claras debido a su densidad) e inclusiones no metálicas (produce áreas oscuras). Para la realización de este
ensayo es necesaria la utilización de equipos de radiación, con una máquina que produzca rayos X, energía
eléctrica, o algún isótopo radioactivo que produzca rayos gamma. Luego de la realización del ensayo, es
necesario un equipo para procesar y reproducir la película y, de esta manera, interpretar los resultados de
la prueba.
En las figuras 5.16 se presenta el efecto de la densidad del material en la transmisión de radiación y en la
figura 5.17 se observa el efecto del espesor de la parte en la transmisión de radiación.
Su procedimiento, equipos y criterios de evaluación se encuentran especificados en las normas ASTM
E1030 - 05 (revisada en 2011) o AWS D.1.1. (Muñoz, 2012).
5.3.2.9. Ultrasonido
Esta prueba se basa en la utilización de ondas de sonido de frecuencia, la cual mide propiedades tanto
físicas como geométricas del material que se está inspeccionando. Los transductores de ultrasonido pueden
ser de rayos longitudinales que son los que permiten conocer el espesor del material y la profundidad de la
discontinuidad, o también pueden ser de ángulo para la evaluación de la soldadura. La realización de la
prueba consiste en la obtención de energía mecánica (en la forma de onda de sonido), a partir de la
conversión de energía eléctrica (en forma de voltaje aplicado); esto se logra mediante el fenómeno de efecto
piezoeléctrico producido cuando el traductor ejecuta la conversión.
Figura 5.17 a) Efecto del espesor de la parte en la
transmisión de radiación.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.16 b) Efecto de la densidad del
material en la transmisión de radiación.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
55
En la figura 5.18 vemos un equipo Quantum QBT+2 y falla en la soldadura para prueba de ultrasonido, en
la figura 5.19 vemos la realización de la prueba de ultrasonido.
Su procedimiento, equipos y criterios de evaluación se encuentran especificados en las normas ASTM
E164 − 13 o AWS D.1.1. El transductor se coloca en la caja negra, que es un sofisticado aparato electrónico
que se convierte en un aparato de medida generando pulsos electrónicos de alta precisión, de corta duración
y alta frecuencia. Esta onda sonora viaja a través del material a determinada velocidad; es necesario que
el reflector este adecuadamente orientado para permitir que el sonido regrese al transductor. El cristal
piezoeléctrico se encarga de convertir la energía en pulso eléctrico para, de esta manera ser amplificado y
graficado en un tubo de rayos catódicos y así pueda ser interpretada por el operario. (Muñoz, 2012).
5.3.3. Ensayos Destructivos
5.3.3.1. Ensayo de fatiga
Este ensayo permite determinar la capacidad que tiene cada elemento ante la aplicación de este tipo de
cargas. Es importante aclarar que las fallas por fatiga han sido algunas de las causas del colapso de algunos
puentes.
Figura 5.20 Probetas obtenidas del acero del puente de
Cajamarca, maquinadas en los laboratorios del Illinois
Institute of Tecnology, Chicago, IL, USA.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.19 Realización de la prueba de
ultrasonido. Regional Huila.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.18 Equipo Quantum QBT+2 y falla en la
soldadura para prueba de ultrasonido.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.21 Maquina de fatiga tipo R.R. Moore del
Illinois Institute of Tecnology, Chicago, IL, USA.
Donde se hicieron los ensayos del puente Cajamarca
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
56
Dicho ensayo se puede realizar con base en las especificaciones y procedimientos estipulados en la norma
E606/E606M − 12. Para esto se puede emplear un equipo electromagnético el cual consta de un motor, un
contador de revoluciones y un sistema mecánico que permite que una probeta se gire mientras se aplica
una carga conocida (ver figura 5.21). Dicha probeta queda sometida a una flexión alternada, que se traduce
en que un punto cualquiera de la probeta queda sometido a un ciclo de cargas que va de tracción a
compresión. Esto produce fisuras las cuales se van propagando lentamente, reduciendo el área hasta un
punto tal en que la probeta no pueda resistir la carga aplicada y se rompe. Las probetas para este ensayo
(ver figura 5.23) deben cumplir con las dimensiones de las normas antes mencionadas.
Es importante tener en cuenta que dichas probetas se deben extraer de elementos secundarios del puente
de acero existente (ver figura 5.22), que no tengan una responsabilidad importante desde el punto de vista
estructural y la zona de extracción debe ser reparada y pintada para evitar la producción de discontinuidades
(ver figura 5.20). Dependiendo de la carga esperada, esta prueba puede ser realizada de diferentes formas
que pueden ser de: doblez plano, doblez racional, torsión, tensión axial, compresión axial, o combinación
de todas, las que puedan llegar a someter las probetas a esfuerzos simultáneos de compresión y tensión.
El resultado de este tipo de ensayo es utilizado generalmente para la evaluación de fatiga de los
componentes principales y/o conexiones del puente, para lo cual se sugiere el empleo de las
recomendaciones estipuladas en la sección 7 “Fatigue Evaluation of Steel Bridges” del manual de
evaluación de puentes existentes de Estados Unidos. (Muñoz, 2012).
5.3.3.2. Ensayo de resistencia a la tensión
Este ensayo se usa para caracterizar las propiedades mecánicas del acero tales como resistencia a la tensión,
límite de fluencia, reducción de área y alargamiento. Es una información vital en el momento de evaluar la
calidad del acero estructural de los puentes de los cuales no se tienen memorias de cálculo o planos de
diseño o construcción. En este ensayo se somete una probeta de acero a un esfuerzo de tensión que va en
aumento hasta causarle la ruptura y que se debe realizar siguiendo la norma ASTM E8/E8M – 13a.
La primera etapa consiste en la extracción de muestras de acero (ver figura 5.24) en elementos no
principales del puente, de tal forma que no se genere una vulnerabilidad del mismo desde el punto de vista
estructural. Esto se puede hacer empleando equipos oxicorte para la obtención de platinas (ver figura 5.25).
Figura 5.23 Zona reparada y pintada, para evitar la
producción de discontinuidades
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.22 .Zona de extracción de muestras del
Puente Cajamarca, justo después del uso del oxicorte.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
57
De dichas platinas se deben obtener las probetas para el ensayo mediante un proceso de maquinado, y con
alas dimensiones y especificaciones que establece la norma.
Se usan equipos estándares como maquina universal para prueba de tensión con graficador, extensómetros
y otros instrumentos de medición necesarios para este tipo de ensayo, con los cuales se determinan
propiedades mecánicas como: fluencia (fy), resistencia ultima (Fu), ductilidad, porcentaje de elongación,
porcentaje de reducción de área, módulo de elasticidad, límite de proporcionalidad, limite elástico y
tenacidad. Las probetas de acero deben sujetarse adecuadamente a la maquina universal para lograr una
efectiva transmisión de carga a la maquina por medio de las cabezas. Es importante que la velocidad con
que se efectúa la prueba no exceda la velocidad a la que se puedan realizar las lecturas de carga y
deformaciones. Algunas de estas propiedades son estimadas con algunos aparatos de calibración, mientras
que para otras es necesario un análisis más profundo de la curva esfuerzo-deformación originada durante
la prueba.
Del ensayo se obtiene un diagrama esfuerzo-deformación, donde l zona de fluencia es bien definida por el
cambio de pendiente en la curva. El esfuerzo correspondiente a la parte superior donde se inicia el cambio
de pendiente, o el esfuerzo al cual la curva empieza a caer, se considera como límite de fluencia. Existen
casos en que el material no muestra una forma definida con lo cual se puede caracterizar el límite de
fluencia; para esto se obtiene un valor equivalente que puede lograrse por el método del alargamiento
específico, determinando esfuerzos ante ciertas elongaciones específicas. (E. Muñoz, 2012).
5.3.3.3.Ensayo de contenido químico
Consiste en la determinación de la composición química del acero de refuerzo o del acero estructural
mediante la norma ASTM E350 - 12. A partir de este ensayo se determina el contenido de: aluminio,
antimonio, Arsenio, azufre, boro, carbono, cobre, cromo, estaño, fosforo, manganeso, níquel, niobio,
plomo, silicio, telurio, tungsteno, vanadio, zirconio, entre otros. Con este ensayo se conocen propiedades
del acero que sirven para estimar aproximadamente su tipo, sus propiedades de ductilidad, su capacidad de
soldabilidad, entre otros.
Entre los métodos para determinar las maneras en que se encuentran las sustancias anteriormente
mencionadas, están: el gravímetro, fotométrico, destilación, neocoptrina, intercambio iónico, absorción
atómica y algunos otros. El gravímetro, por ejemplo se emplea para la determinación del aluminio total en
concentraciones de 0.2 % a 1.5 % en hierros y aceros no aleados, de baja aleación, e inoxidables. Este
método consiste en diluir la muestra en ácido y así el aluminio que no se disuelve se filtra, se funde y se
reúne con el aluminio soluble. De esta manera, los elementos de interferencia se eliminan para la separación
de cátodo de mercurio. Los criterios de evaluación de este ensayo deben basarse en los especificados en la
norma. (Muñoz, 2012).
Figura 5.24 Equipo para extracción de muestra de
acero para ensayo de tensión y contenido químico.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
Figura 5.25 Muestra de ensayo de contenido
químico y tensión.
Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.
58
5.3.3.4. Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del
acero.
Este ensayo es realizado para perfiles de acero estructural de alta resistencia y baja aleación,
placas y barras para construcción soldadas, remachadas o atornilladas, pero destinado
principalmente para su uso en puentes y edificios de estructuras soldadas, donde el ahorro en
peso o mayor durabilidad son importantes. La resistencia a la corrosión atmosférica de este
acero en la mayoría de ambientes es sustancialmente mejor que la de los aceros estructurales
de carbono con o sin adición de cobre.
Cuando se expone adecuadamente a la atmósfera, este acero es adecuado para muchas
aplicaciones en condiciones al desnudo (sin pintar). Esta especificación se limita a material
de hasta 8 pulgadas [200 mm] inclusive de espesor.
Las especificaciones de este ensayo se pueden realizar con base en las normas ASTM
A588/A588M – 10.
5.4.Información de primera categoría
Para evaluar la fatiga de los puentes de acero, es necesario investigar y conocer de la
estructura, los siguientes aspectos:
a) Datos de la geometría general, secciones transversales, tipos de uniones,
dimensiones de la losa tipos de apoyos y otros.
b) Propiedades mecánicas y químicas de los materiales. Resistencia del acero.
c) Composición química del acero.
d) Patología estructural basada en ensayos destructivos y no destructivos.
e) Condición estructural, comprobada en documentos e inspecciones anteriores.
f) Información histórica y actual del tránsito (conteos, TPDS, pesajes, configuración
de los camiones, distancia entre ejes, etc.).
g) Planos de diseño, de construcción o de rehabilitación.
h) Memorias de cálculo de la superestructura.
i) Informes de construcción e interventoría.
j) Informes de inventario de inspección visual y especial.
k) Resultados de ensayos destructivos y no destructivos
l) Estudios anteriores de mantenimiento, rehabilitación o refuerzo.
Esta información es vital para conocer los antecedentes del puente y poder hacer su
correspondiente evaluación de fatiga, a nivel de inspección visual, especial y también
detallada. Es indispensable tener acceso a los documentos o que antes se enumeraron y
especialmente los planos “As Built” y los correspondientes detalles o esquemas si el puente
fue rehabilitado en diferentes ocasiones.
Si en esta fase no contamos con información de primera categoría en especial con los
numerales a y g es necesario adelantar un levantamiento tanto planimétrico como estructural
del puente, utilizando equipos de medición tales como: nivel topográfico, distanciometro,
cinta métrica, calibrador vernier o pie de rey, medidor de espesor de acero de acuerdo a lo
59
estipulado en el numeral 5.3.2.1. Todo esto con el fin de desarrollar un modelo del puente en
elementos finitos.
5.5. Información histórica y actual del tránsito
Es de gran importancia conocer a cerca del comportamiento histórico del tránsito para de esta
manera poder determinar la tasa de crecimiento así como la realización de los aforos donde
vamos a obtener el volumen de transito específicamente el TPD, los cuales son factores
fundamentales para predecir la vida a fatiga de los elementos estructurales en los puentes de
acero.
5.5.1. Transito promedio diario (TPD)
Se define el volumen de transito promedio diario (TPD), como el número total de vehículos
que pasan durante un periodo dado (en días completos) igual o menor a un año y mayor que
un día, dividido entre el número de días del periodo. De acuerdo al número de días de este
periodo se presentan los siguientes volúmenes de transito promedio diarios, dados en
vehículos por día:
a) Transito promedio diario anual (TPDA)
b) Transito promedio diario mensual (TPDM)
c) Transito promedio diario semanal (TPDS)
5.5.2. Histórico, tendencias y crecimiento
El análisis de la evolución histórica del tránsito es esencial para definir la tasa o las
tendencias de su crecimiento. El volumen del tránsito futuro de una vía en servicio, puede
ser evaluado de acuerdo a diferentes métodos de regresión y proyección, gracias al análisis
estadístico de los datos históricos de los aforos realizados para obtener la tasa de crecimiento
anual. Como en la mayoría de regiones del país no se cuenta con series históricas, esto lleva
a estimar y aplicar modelos de proyección basándose en aforos para hallar el transito
promedio diario como en el caso de los TPD del INVIAS en el año inicial y utilizar una tasa
de crecimiento que generalmente es una variable subjetiva y no objetiva del diseñador o
planificador sobre la zona de influencia del estudio. (Torres Sanabria & others, 2007)
5.5.3. Aforos en campo
El personal dedicado al trabajo de campo para realizar mediciones de los volúmenes de
transito se le denomina aforador de tránsito. Los aforos de transito pueden realizarse de
manera manual o mecánica. Cuando la información deseada no puede obtenerse mediante el
uso de dispositivos mecánicos es cuando empleamos los aforos manuales, los cuales permiten
la clasificación de vehículos por tamaño, tipo, numero de ejes etc., también son usados con
frecuencia para calibrar los aforadores mecánicos.
60
5.5.4. Sistemas de pesaje
Actualmente, el control y estudio de las cargas de los tracto camiones que circulan por la Red
Vial Nacional de Colombia, se realiza a través de sistemas de pesajes estáticos y en
movimiento, que son administrados por parte del INVIAS, Instituto Nacional de Concesiones
(INCO) y las Concesiones.
Por otro lado, en el mundo existen dos sistemas de pesaje en movimiento basados en las
especificaciones internacionales de la norma ASTM E1318-02 (ASTM 2002) que describe
los métodos de prueba para evaluar y calibrar los sistemas WIM utilizando vehículos de
prueba de pesos y dimensiones estáticas conocidas. La evaluación del sistema WIM abarca
actividades en el lugar para determinar si se cumplen las mediciones del sistema WIM a las
tolerancias de error. Tanto la evaluación y calibración requieren dos camiones de prueba de
pesos y dimensiones conocidas. Esta norma permite al usuario modificar los requisitos de
rendimiento del sistema WIM a través del proceso de adquisición de equipos.
El primero, es denominado WIM (Weight in motion), que consiste en medir las fuerzas estáticas y
dinámicas de los ejes de un vehículo en movimiento permitiendo almacenar datos sobre el peso de los
vehículos, el volumen de tráfico, su clasificación y velocidad. Por su forma y manera de instalación
tiene la ventaja que los conductores no están enterados de la operación de pesaje y no intentan evitarla,
generalmente se encuentran después de un peaje y cuando detectan un camión sobrecargado, lo dirigen
a una estación fija (estática), de tal forma que se compruebe la sobrecarga y eventual sanción. Este
sistema ha servido para supervisar los vehículos sobrecargados que intentan evadir la normativa de un
País, habiéndose implementado en el mundo como fruto del crecimiento de tráfico durante las últimas
décadas y buscando la protección de las obras de infraestructura vial, especialmente los puentes.
El segundo sistema de pesaje en movimiento consiste en un pesaje a través de un puente instrumentado
y se denomina BWIM (Bridge Weight in motion), permite determinar el peso dinámico (total y por
ejes, entre otros) de los camiones pesados que circulan sobre un puente, basados en su instrumentación
y en desarrollos matemáticos denominados Algoritmos genéticos. (Edgar Muñoz, Gómez, Núñez, &
Florez, 2011)
Los sistemas de pesaje me dan la posibilidad de obtener las cargas reales por eje de los
camiones tipo, las cuales se emplearan en conjunto con el estudio de tránsito estableciendo
un análisis probabilístico como por ejemplo el método de Montecarlo para poder llevar esto
al modelo de elementos finitos.
5.6.Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación
Para la evaluación de estructuras existentes, es relevante validar los modelos computacionales y así
determinar la importancia de las variables involucradas en el análisis de confiabilidad estructural. Dadas
las características de las estructuras a evaluar es necesario tener equipos de medición que se adecuen a sus
condiciones (geometría, tipología, etc.). Dicho equipo debe ser robusto y confiable, ya que las condiciones
climáticas o de instalación pueden ser exigentes. (E. E. Muñoz & Núñez, 2005)
La localización de las zonas de monitoreo obedece a una previa investigación de los máximos
esfuerzos que se registran en los elementos de la estructura metálica mediante inspecciones
visuales y por medio del modelo de elementos finitos, de acuerdo con la tipología del puente.
61
Existe una gran variedad de sistemas de medición para determinada variable física y para cada tipo de
aplicación en ingeniería de puentes. Determinar el sensor o método apropiado depende de factores que
van desde la precisión deseada hasta costos o condiciones de instalación y funcionamiento. Se requiere
medir el comportamiento de las estructuras, específicamente sus deformaciones, dadas unas
condiciones de cargas especiales y particulares. (E. E. Muñoz & Núñez, 2005)
A continuación se listan algunos dispositivos para medir el desplazamiento lineal:
LVDT (Linear Variable Diferential Transformer)
Interferómetros láser
Ultrasonido
Encoder óptico
Medidores magnéticos de desplazamiento.
Los sensores más comunes para instrumentación de deformaciones unitarias y fuerza son las galgas
piezo-resistivas (de película conductora y semiconductoras) y los sensores de película bi-refrigerante.
Los strain gages tienen una medida de deformación muy usada ya que es la base para adquisición de
otras variables que se derivan de esta. Se obtiene al medir las variaciones de resistencia eléctrica sobre
un elemento que cambia su longitud y el área de conducción al ser deformado en cierta dirección. (E.
E. Muñoz & Núñez, 2005)
Con la instrumentación con estos dispositivos lo que se pretende es poder determinar los
esfuerzos producto de las cargas por eje de las diferentes categorías del tránsito pesado, y
con esto poder calibrar el modelo de elementos finitos.
5.7.Evaluación de la vida a fatiga
Para la evaluación de la vida a fatiga se aplicaran las metodologías tanto de Estados unidos
como de Europa.
Para aplicar la metodología de Estados Unidos se utilizara el el manual AASHTO MBE
(2011) para la evaluación de puentes, con enfoque en la Sección 7 “Fatigue Evaluation of
Steel Bridges”.
Para la aplicación de la metodología de Europa se hace necesario la utilización del
Eurocódigo 3: Proyecto de estructuras de acero. Parte 1-9: Fatiga (2013), para la estimación
de la vida restante a fatiga de los elementos del puente.
Para proceder a calcular la vida remanente de los diferentes elementos estructurales del
puente esta se determina con base en los detallados aproximados de armado y afectación de
los elementos estudiados.
Para esto se utilizaron las recomendaciones de Ang y Munse (1975), sobre tipos de secciones
a analizar, los cuales están consignados en la AASHTO MBE (2011) (Ver Figura 5.26 y
5.27).
“Para propósitos de estudios de fatiga, estos valores son bastante aceptados, debido a que
dicho estudio basó la construcción de las curvas S-N para obtención de parámetros de forma
62
(C) y de calidad del acero (m), en varios tipos de detallados tanto de armado estructural,
como de unión entre elementos.”(E. Muñoz, 2013a)
Los tipos que se van a utilizar para los análisis de fatiga son:
Figura 5.26 Valores de m y c para elementos de acero en puentes.
Fuente (Ang and Munse, ASCE Structural Eng. Conference, 1975)
63
Figura 5.27 Valores de m y c para elementos de acero en puentes.
Fuente (Ang and Munse, ASCE Structural Eng. Conference, 1975)
Con base en la totalidad de los datos obtenidos por simulación (Na), se determina la participación de
diferentes rangos de esfuerzos (Si) que se pueden tomar teniendo en cuenta el menor y el mayor valor
de los esfuerzos y usando un número finito de clases para su organización. La relación que se establece
entre la cantidad de solicitaciones en cada nivel de esfuerzos (Si) para las condiciones actuales del
tránsito y la totalidad del número de cargas que generan esfuerzos (Na), tomados de la simulación, se
denominará αi. Este procedimiento se detalla en la tabla 5.1.
64
Los resultados para cada elemento se presentan a continuación:
Tabla 5.1 Metodología de clasificación de esfuerzos para los rangos de estudio, y
determinación de los factores de ponderación de esfuerzos (αi).
Rango de Esfuerzos
de la simulación.
Numero de ciclos
presentes para este rango
de esfuerzos
Relación αi.
S1 n1 α1= n1/Na
S2 n2 α2= n2/Na
… … …
Si ni αi= n2/Na
Totales ∑ni=Na
Una vez establecida la distribución de esfuerzos para cada elemento y teniendo en cuenta las cargas
plenas del tránsito real del puente, se procede a estimar el tiempo aproximado para que dicho elemento
estructural comience a presentar estados de fatiga. Se define el daño acumulado en el elemento
estructural bajo estudio con base en la ley de Miner (Miner, 1945) como la sumatoria de las relaciones
entre la cantidad de esfuerzos presentes para los diferentes números de ciclos para cada rango de
esfuerzos estudiado (ni), y el Número teórico de ciclos necesario para llevar dicho elemento estructural
con parámetros (c y m constantes) al nivel de esfuerzos estudiado (Si), de la siguiente manera:
Daño = ∑𝑛𝑖
𝑁𝑖
𝑛𝑖=1
Teniendo en cuenta lo expuesto en la ecuación anterior y reemplazando los Ni como se expresa
literalmente en la ley de Miner, el daño se expresaría como:
𝐷 =𝛼1 ∗ 𝑁1
(𝑐
𝑆1𝑚)
+𝛼2 ∗ 𝑁2
(𝑐
𝑆2𝑚)
+ ⋯ + 𝛼𝑖 ∗ 𝑁𝑖
(𝑐
𝑆𝑖𝑚)
Haciendo una simplificación de términos lo anterior se puede expresar como:
𝐷 =𝑁𝑎
𝑐[𝛼1𝑆1
𝑚 + 𝛼2𝑆2𝑚 + ⋯ + 𝛼𝑖𝑆𝑖
𝑚]
Dado que se asume que el elemento estructural presentará mecanismos de fatiga cuando el daño sea
cercano o igual a 100%, entonces Na será cada vez más cercano a NT, entonces considerando D=1, se
puede expresar como:
𝑁𝑇 =𝑐
[𝛼1𝑆1𝑚 + 𝛼2𝑆2
𝑚 + ⋯ + 𝛼𝑖𝑆𝑖𝑚]
De esta manera se determina la cantidad de ciclos necesaria para llevar cada elemento estructural a
mecanismos de fatiga. Para los diferentes elementos estructurales y con base en los valores de c y m
asumidos. Una vez obtenido el número de ciclos aproximado para generar daño por fatiga en el
65
elemento estructural, se determina el tiempo en años para que dicho elemento estructural no presente
evidencias de fatiga estructural. Sin embargo, este tiempo tiene que ser restado de la cantidad de años
que tiene el puente desde que fue puesto en servicio, para poder obtener matemáticamente la vida
remanente del elemento estructural analizado. (E. Muñoz, 2012)
Vale la pena aclarar que este tiempo remanente está estimado teniendo como premisa el
hecho que el tránsito, ha sido el mismo durante todos los años que indica el cálculo, lo que
es aproximado debido a la gran variabilidad del mismo.
Del manual (AASHTO 2003), o de forma equivalente en el artículo 3.2 de la Guía (AASHTO
1990) y en el artículo 7.2.5 de la MBE (AASHTO 2011), la siguiente ecuación es
proporcionada para calcular el tiempo estimado t de la vida de fatiga de un detalle propenso
a fatiga.
t =Log(
r∗NTb(365∗ADT)
+1)
Log(1+r) (2)
Donde:
NT: Número de ciclos necesaria para llevar cada elemento estructural a mecanismos de
fatiga
ADT: Tránsito promedio diario anual
r: Tasa de crecimiento anual
b: Parámetro de distribución del tránsito pesado sobre el puente
El Eurocódigo 3 (2013) calcula el factor de daño por fatiga D con base en la ley de Miner.
Los pasos de calcular el factor de acumulación de daño por fatiga D se pueden resumir como
sigue:
a) Utilizar medidas de deformación o cálculos teóricos de la respuesta esfuerzo de
tensiones para pasajes de trenes de carga, determinando la variación del rango de
esfuerzos en el tiempo.
b) Determinar el rango de esfuerzos para el tren de carga más pesado.
c) Utilizar datos estadísticos para determinar la carga total del tren que ha pasado por el
puente durante su vida.
d) Transformar los pasajes del tren de carga en un número de "pasajes equivalentes de
tren de carga'' mediante el uso de los resultados de la etapa a y b.
e) Calcular el factor de acumulación de daño por fatiga D igual ∑𝑛𝑖
𝑁𝑖Ni / Ni para esos
“pasajes equivalentes tren de carga”.
Si el factor D se encuentra por encima de 1,0, los resultados (según la teoría) determinan que
la vida útil del puente está cerca de su fin. Pero el puente aún puede estar en condiciones
excelentes sin mostrar ningún signo de agrietamiento por fatiga. Una investigación
66
exhaustiva de control de la fisuración debe confirmar este hecho antes de decidir sobre el
futuro la vida útil del puente.
Si, aun los cálculos teóricos del factor de acumulación daños por fatiga D están por debajo
de 1.0, del futuro de la “vida a fatiga” se puede hacer una estimación más “precisa”. Con
respecto al tránsito hoy y el aumento esperado en el tránsito futuro, se puede hacer una
estimación teórica de un remanente de la vida a fatiga.
Aquí hay que añadir la advertencia de que la teoría se simplifica y se basa en suposiciones,
y las grietas pueden iniciarse antes de que el factor de acumulación de daños por fatiga sea
igual a 1.0. El efecto de tensiones de esfuerzo secundarias es siempre difícil de tomar en
consideración.
5.8. Fatiga acompañada por corrosión
Es muy importante analizar con sumo cuidado la aparición de cualquier grieta que aparezca
en un elemento estructural sometido a tensiones mecánicas en un medio corrosivo agresivo,
como es el que se puede presentar en los elementos y conexiones de los puentes de acero.
Los fenómenos de la corrosión bajo tensión se aceleran mucho debido a la concentración de
las tensiones en medios agresivos siendo un factor significativo además el de los defectos de
fabricación que puedan existir en las piezas metálicas. El análisis estructural de cada
elemento que presente grietas debe concretarse a las condiciones reales de su utilización, con
el análisis exhaustivo de las cargas, las solicitaciones y las pérdidas de área útil por efecto
de la corrosión superficial. (Ayón, Leyva, & Quesada, 2010)
Según Ayón et al, cuando el tamaño de las grietas es considerable, las soluciones deben
dirigirse a eliminar o atenuar las tensiones ya que el fallo puede producirse bruscamente, ya
que es muy difícil recuperar la resistencia del elemento estructural cuando el factor de
intensidad de la tensión aumenta, por efecto de la tensión, hasta un punto cercano al límite
de rotura. Pero lo más importante es realizar el análisis específico de cada elemento
estructural en su situación propia.
Debido a lo anterior es importante considerar el efecto de la corrosión y más cuando se está
determinando en un elemento o conexión estructural su vida remanente a fatiga, para ello en
esta metodología se hace necesario:
a) La utilización de un ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica
del acero, cuyas especificaciones se pueden realizar con base en las normas ASTM
A588/A588M – 10.
b) En el modelo de elementos finitos que se tiene del puente, afectar las secciones
transversales de los elementos y conexiones debido a las pérdidas de área útil por
efecto de la corrosión superficial.
67
De acuerdo al modelo de elementos finitos, se pretende alterar las secciones transversales
que están afectadas por corrosión, midiendo esta de forma visual, mediante un medidor de
espesor remanente de acero estructural cuyas especificaciones sobre el procedimiento y los
equipos se pueden verificar empleando la norma ASTM E797/E797M – 10.
Determinando el área real debido a las pérdidas de área útil por efecto de la corrosión y
comparándola con el área de los planos estructurales y con base a esto determinar unos
porcentajes de corrosión que pueden ir del 5%, 10%, 20% hasta el 50% de corrosión.
Con lo anterior podemos construir una gráfica de cada elemento o conexión que este afectada
por corrosión y poder determinar su vida remanente de fatiga con corrosión de acuerdo a los
diferentes porcentajes de afectación, esto se vera de forma más completa y mediante varios
ejemplos en el capítulo de la validación de esta metodología.
68
Casos de aplicación de la metodología propuesta a escenarios probables de
puentes en arco.
Es de gran importancia dejar claro que los escenarios no existen, sin embargo se asumieron
con la variabilidad probable de proyectos reales en operación. Se tomaron cinco (5)
escenarios, tres de ellos a nivel nacional (Colombia) y dos a nivel europeo (Suecia). Con
estos ejemplos se pretenderá evaluar la capacidad de solución general de la propuesta. En
otras palabras que la propuesta sea capaz de dar un listado de actividades sin importar el
grado de complejidad conllevantes a la determinación de la vida remanente de fatiga,
simulando el porcentaje de afectación de corrosión.
6.1.Puente del Sisga (Cundinamarca).
Figura 6.1 Puente del Sisga
Tomada de http://www.panoramio.com/photo/82085309
El puente del Sisga (Ver figura 6.1 y anexo No. 2) está ubicado a 65 km de Bogotá sobre la Autopista Norte que conduce a Tunja, exactamente en el municipio de Chocontá, en el
departamento de Cundinamarca-Colombia. Este puente presenta una la corrosión
generalizada en los apoyos, en algunos elementos del cordón inferior de la viga de rigidez y
en los elementos que componen el arco. No se cuenta con datos de la geometría general,
tampoco con planos de diseño, construcción ni de rehabilitación, tampoco con estudios de
tránsito y no se tiene información de las cargas reales de los camiones que circulan allí.
69
6.1.1. Patología estructural
Se establece la necesidad de realizar además de la inspección visual, ensayos no destructivos
como destructivos ya que es necesario determinar la calidad mecánica del acero con el que
fue diseñado dicho puente entre otros.
6.1.1.1.Inspección Visual
Por medio de la inspección visual se determina que la corrosión es causada por la falta de
control de la infiltración ya que los dispositivos de juntas no son los adecuados y se ve la
falta de mantenimiento. También se ve afectado el estado de los apoyos, y se han encontrado
fallas en las soldaduras de conexión. Se ha detectado también falta de remaches y pernos,
platinas y pérdida de la sección que disminuyen por lo tanto su vida útil. Se recomienda
aumentar el mantenimiento rutinario, las inspecciones especiales y las obras de rehabilitación
de los componentes afectados.
6.1.1.2.Ensayos no destructivos
Este tipo de ensayos necesitan entrenamiento, los que se practican son los siguientes:
a) Medidor de espesor remanente de acero estructural, Norma ASTM E797/E797M −
10
b) Verificación de torque en pernos o tornillos, de acuerdo al CCDSP numeral
B.4.3.1.8.3 y B.4.17.5.4 y Tabla B.4-3
c) Verificación de remaches
d) Pruebas de sanidad, de acuerdo a AWS D.1.1.
e) Tintas penetrantes, Norma ASTM E165/E165M − 12 o AWS D.1.1.
f) Ultrasonido, Normas ASTM E164 − 13 o AWS D.1.1.
6.1.1.3.Ensayos destructivos
Este tipo de ensayos determinan la calidad mecánica del material, los que se practican son
los siguientes:
a) Ensayo de contenido químico, Norma ASTM E350 – 12
b) Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del acero, Norma
ASTM A588/A588M – 10
Para este último se sugiere modificar las secciones transversales afectadas, en el modelo de
elementos finitos.
6.1.2. Información de primera categoría
Como no se cuenta información de primera categoría se procede a realizar el levantamiento
planimétrico del puente y a generar los planos estructurales del mismo con el objeto de
obtener el modelo de elementos finitos.
70
6.1.3. Información histórica y actual del tránsito
Al no contar con esta información se procede a realizar el estudio de transito pertinente para
establecer los conteos y determinar así el TPD (Transito Promedio Diario), como también la
configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc., y los pesajes para ello se hace
necesario utilizar el sistema de pesaje estático, obteniendo las cargas reales de los camiones
y luego mediante estos datos efectuar un análisis probabilístico (Montecarlo), para poder de
esta manera alimentar el modelo de elementos finitos.
6.1.4. Determinación de esfuerzos
Aquí se determinan los esfuerzos en los diferentes elementos y conexiones del puente con
base en el modelo de elementos finitos.
6.1.5. Caracterización a fatiga del metal base
De acuerdo a Ang and Munse, se utilizan los valores de m y c para elementos de acero en
puentes. (Depende de la geometría de conexión y del tipo de Acero AISI-1018. AISI-1045,
AISI-1090, AISI-4340). (Ang and Munse, ASCE Structural Eng. Conference, 1975. Para
poder determinar mediante la ley de Miner la cantidad de ciclos necesaria NT para llevar cada
elemento estructural a mecanismos de fatiga.
6.1.6. Vida remanente a fatiga
Esta evaluación de la vida remanente a fatiga se calcula según la AASHTO MBE (2011)
de acuerdo al numeral 5.7 de la presente metodología.
6.2. Puente de Istmina (Choco).
Puente sobre el Río San Juan ubicado en el municipio de Istmina en departamento del Chocó-
Colombia (Ver figura 6.2 y anexo No. 3). Este puente presenta una la corrosión generalizada
tanto en las vigas de rigidez, los pendolones, elementos de arco, arriostramientos como
también en los apoyos, tiene muchos daños significativos a nivel estructural, hay gran
incertidumbre de la capacidad de carga de estos componentes principales del puente, que
tienen gran parte de la responsabilidad estructural. Se cuenta con datos de la geometría
general y con un modelo de elementos finitos. No se tienen estudios de tránsito ni
información de las cargas reales de los camiones que circulan allí.
71
Figura 6.2 Puente de Istmina (Choco)
6.2.1. Patología estructural
Por el estado en que se encuentra el puente se hace necesario hacer una inspección visual y
además aplicar ensayos tanto destructivos como no destructivos.
6.2.1.1. Inspección Visual
Por medio de esta se determinó que la corrosión generalizada es el daño principal de las vigas
de rigidez, apoyos, elementos de arco y arriostramientos. Además, se halló una falta de
tensión de los elementos de arrostramiento inferior, y grietas a flexión en vigas transversales
y longitudinales por fatiga de estos elementos. Otro de los problemas comunes es la
infiltración que afecta el estado de las vigas de rigidez debido al diseño inadecuado de los
drenes. Hay también problemas de vibración excesiva y elementos faltantes o pérdida de
sección en pernos y/o remaches por el fenómeno de corrosión. Se recomienda realizar una
inspección especial (estudios especializados) así como la limpieza y pintura de los
componentes de acero, reparación de los componentes (apretar uniones en vigas transversales
y mantenimiento), cambio de vigas de acero y arriostramientos.
6.2.1.2.Ensayos no destructivos
Este tipo de ensayos necesitan entrenamiento, los que se practican son los siguientes:
a) Pruebas de sanidad, de acuerdo a AWS D.1.1.
72
b) Tintas penetrantes, Norma ASTM E165/E165M − 12 o AWS D.1.1.
c) Ensayos de radiografía, Normas ASTM E1030 - 05 (revisada en 2011) o AWS
D.1.1.
d) Ultrasonido, Normas ASTM E164 − 13 o AWS D.1.1.
6.2.1.3.Ensayos destructivos
Este tipo de ensayos determinan la calidad mecánica del material, los que se practican son
los siguientes:
a) Ensayo de contenido químico, Norma ASTM E350 – 12.
b) Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del acero, Norma
ASTM A588/A588M – 10
6.2.2. Información de primera categoría
Se cuenta ya con un modelo de elementos finitos del puente.
6.2.3. Información histórica y actual del tránsito
Al no contar con esta información se procede a realizar el estudio de transito pertinente para
establecer los conteos y determinar así el TPD (Transito Promedio Diario), como también la
configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc., y los pesajes para ello se hace
necesario utilizar el sistema de pesaje estático, obteniendo las cargas reales de los camiones y luego mediante estos datos efectuar un análisis probabilístico (Montecarlo), para poder de
esta manera alimentar el modelo de elementos finitos.
6.2.4. Determinación de esfuerzos
Se determinan los esfuerzos en los diferentes elementos y conexiones del puente con base
en el modelo de elementos finitos.
6.2.5. Caracterización a fatiga del metal base
De acuerdo a AASHTO LRFD BRIDGE DESIGN SPECIFICATIONS (2012), Table
6.6.1.2.3-1 Detail Categories for Load-Induced Fatigue. Figure C6.6.1.2.5-1—Stress Range
Versus Number of Cycle.
Lo anterior para poder determinar mediante la ley de Miner la cantidad de ciclos necesaria
NT para llevar cada elemento estructural a mecanismos de fatiga.
6.2.6. Vida remanente a fatiga
Para el caso del puente de Istmina, debe estudiarse el eventual avance en los estados de fatiga
mediante estimaciones analíticas de vida de servicio.
73
Esta evaluación de la vida remanente a fatiga la podemos calcular según la AASHTO MBE
(2011) de acuerdo al numeral 5.7 de la metodología.
6.3. Puente Forsmo sobre el rio Aangermann (Forsmo Järnvägsbron en Suecia).
Este puente está ubicado sobre el rio Aangermann en Suecia (Ver figura 6.3 y anexo No. 4).
Presenta una corrosión generalizada no determinada. No se cuenta con información de
primera categoría como tampoco se cuenta con información histórica y actual del tránsito.
Figura 6.3 The Forsmo Bridge (Forsmo Järnvägsbron in Swedish) is a railway bridge over the
Aangermann River in Northern Sweden. Tomada de http://en.wikipedia.org
6.3.1. Patología estructural
Se pretende realizar una inspección visual y además desarrollar ensayos no destructivos y
también ensayos destructivos con el fin de determinar la calidad mecánica del material.
6.3.1.1.Inspección Visual.
Los principales daños encontrados en los elementos de arco son la corrosión y el mal
detallado estructural de los atiesadores verticales y horizontales. Hay también vibraciones
excesivas producidas por el aumento del impacto y grietas diagonales en la unión entre los
elementos transversales y los arcos. Además se observa el impacto y la pérdida de tuercas en
las láminas y atiesadores con uniones incompletas y deficiencias en la soldadura. En general,
74
se han observado detalles de refuerzos inadecuados porque no tuvieron en cuenta el
fenómeno de la fatiga y algunas de las platinas adicionales no tienen la transición adecuada
que eviten la concentración de esfuerzos. También se hace necesario la verificación de
espesores de soldadura filete según D1.5 de la AWS.
6.3.1.2.Ensayos no destructivos
Este tipo de ensayos necesitan entrenamiento, los que se practican son los siguientes:
a) Partículas magnéticas, Normas E709 − 14 o AWS D.1.1
b) Ensayos de radiografía, Normas ASTM E1030 - 05 (revisada en 2011) o AWS
D.1.1
c) Ultrasonido, Normas ASTM E164 − 13 o AWS D.1.1.
6.3.1.3.Ensayos destructivos
Este tipo de ensayos determinan la calidad mecánica del material, los que se practican son
los siguientes:
a) Ensayo de contenido químico, Norma ASTM E350 – 12.
b) Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del acero, Norma
ASTM A588/A588M – 10.
c) Ensayo de fatiga, Norma ASTM E606/E606M - 12
6.3.2. Información de primera categoría
Aunque no se cuenta con información de primera categoría, en este caso no es necesario
generar un modelo de elementos finitos, ya que como se verá más adelante los esfuerzos se
determinaran con base en los resultados de una instrumentación en el puente.
6.3.3. Información histórica y actual del tránsito
Al no contar con esta información se procede a realizar el estudio de transito pertinente para
establecer los conteos y determinar así el TPD (Transito Promedio Diario), como también la
configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc. y los pesajes, para ello se hace
necesario utilizar el sistema de pesaje en movimiento BWIM (Bridge Weight in motion).
6.3.4. Determinación de esfuerzos
Se determinan los esfuerzos en los diferentes elementos y conexiones del puente con base
en el monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación.
75
6.3.5. Caracterización a fatiga del metal base
Se realiza de acuerdo a los lineamientos del EUROCODIGO European Code Steel
Construction, Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-9 Fatigue. ECCS - European
Convention for Constructional Steelwork.
Lo anterior con el fin de determinar mediante la ley de Miner la cantidad de ciclos necesaria
NT para llevar cada elemento estructural a mecanismos de fatiga.
6.3.6. Vida remanente a fatiga
Esta evaluación de la vida remanente a fatiga la podemos calcular según el European Code
Steel Construction, Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-9 Fatigue. ECCS -
European Convention for Constructional Steelwork.
Por medio de la estimación de acumulación de daño a fatiga podemos obtener la vida
remanente a fatiga.
6.4. Puente sobre el rio Vindel hacia Holmforsen en Rödåsel Suecia.
Puente sobre el rio Vindel en Rödåsel (Ver figura 6.4 y anexo No. 5), que es una localidad
pequeña en el municipio de Umeå ubicado al sur de la desembocadura del arroyo en Rodan
Vindelälven en Suecia. Este puente presenta una corrosión importante ya que se ha logrado
detectar sal de deshielo, arrastrada por la bruma de las carreteras. No se cuenta con
información de primera categoría. Aunque se tiene información histórica del tránsito, no se
tienen datos de las cargas reales de los camiones que allí circulan.
Figura 6.4 Figura Bridge over the Vindel river at Holmforsen in Rödåsel Sweden.
Tomada de http://en.wikipedia.org
76
6.4.1. Patología estructural
Por el estado en que se encuentra el puente se hace necesario hacer una inspección visual y
además aplicar ensayos tanto no destructivos como destructivos, por cuanto es necesario
determinar la calidad mecánica del material.
6.4.1.1. Inspección Visual
Se han detectado problemas estructurales, con deflexiones excesivas, refuerzos incompletos,
arriostramientos deformados, pandeo local, soldaduras con defectos y discontinuas en
elementos sometidos a tensión. Fisuras por cortante en las vigas de rigidez, falta de pernos
evidenciando problemas de vibración y probable fatiga. Se recomiendan inspecciones
especiales (estudios especializados), con el objeto de evaluar mediante ensayos
especializados los problemas de corrosión, fatiga y capacidad carga de los elementos de la
estructura del puente.
6.4.1.2. Ensayos no destructivos
Este tipo de ensayos necesitan entrenamiento, los que se practican son los siguientes:
a) Medidor de espesor remanente de acero estructural, Norma ASTM E797/E797M −
10
b) Partículas magnéticas, Normas E709 − 14 o AWS D.1.1
c) Ensayos de radiografía, Normas ASTM E1030 - 05 (revisada en 2011) o AWS D.1.1
d) Ultrasonido, Normas ASTM E164 − 13 o AWS D.1.1
6.4.1.3.Ensayos destructivos
Este tipo de ensayos determinan la calidad mecánica del material, los que se practican son
los siguientes:
a) Ensayo de fatiga, Norma ASTM E606/E606M - 12
b) Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del acero, Norma
ASTM A588/A588M - 10
6.4.2. Información de primera categoría
Aunque no se cuenta con información de primera categoría, en este caso no es necesario
generar un modelo de elementos finitos, ya que como se verá más adelante los esfuerzos se
determinaran con base en los resultados de una instrumentación en el puente.
77
6.4.3. Información histórica y actual del tránsito
Se tienen datos históricos y actuales del tránsito, pero se hace necesario determinar la
configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc. y los pesajes, para ello es oportuno
utilizar el sistema de pesaje en movimiento BWIM (Bridge Weight in motion).
6.4.4. Determinación de esfuerzos
Se determinan los esfuerzos en los diferentes elementos y conexiones del puente con base
en el monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación.
6.4.5. Caracterización a fatiga del metal base
Se desarrolla de acuerdo al EUROCODIGO European Code Steel Construction, Eurocode 3:
Design of Steel Structures. Part 1-9 Fatigue. ECCS - European Convention for Constructional
Steelwork (2013).
Lo anterior para poder determinar mediante la ley de Miner la cantidad de ciclos necesaria
NT para llevar cada elemento estructural a mecanismos de fatiga.
6.4.6. Vida remanente a fatiga
Esta evaluación de la vida remanente a fatiga la podemos calcular según el European Code
Steel Construction, Eurocode 3: Design of Steel Structures. Part 1-9 Fatigue. ECCS -
European Convention for Constructional Steelwork (2013).
Por medio de la estimación de acumulación de daño a fatiga podemos obtener la vida
remanente a fatiga.
6.5. Puente Quebrada Blanca (Cundinamarca). (Ver figura 6.5 y anexo No. 6).
El puente Quebrada Blanca (Ver figura 6.5 y anexo No. 6), está ubicado en el municipio de
Guayabetal en Cundinamarca-Colombia sobre la vía Bogotá-Villavicencio. Este puente
presenta una corrosión no determinada en gran medida sobre el cordón inferior de la viga de
rigidez y en los rigidizadores, por causa del mal estado de las juntas de dilatación que
conllevan a infiltración de aguas hacia estos elementos. No se cuenta con datos de la
geometría del puente ni planos de rehabilitación, tampoco se cuenta con datos de transito de
las cartillas del INVIAS ni se tienen datos de las cargas reales de los camiones que circulan
en el puente.
78
Figura 6.5 Puente Quebrada Blanca
6.5.1. Patología estructural
Se desarrolla una inspección visual y se desarrollan dentro de los ensayos no destructivos, la
medición del espesor remanente de acero estructural y ensayo de tintas penetrantes ya que
desafortunadamente no se cuenta con más capital para poder desarrollar ensayos destructivos
que en realidad valdrían la pena para determinar la calidad mecánica del material.
6.5.1.1. Inspección Visual
Allí se determinaron fisuras posiblemente de fatiga, faltantes estructurales, zonas de
corrosión y también se hizo la verificación de espesores de soldadura filete según D1.5 de la
AWS de varios elementos de la estructura del puente.
6.5.1.2. Ensayos no destructivos
Este tipo de ensayos necesitan entrenamiento, los que se practican son los siguientes:
a) Medidor de espesor remanente de acero estructural, Norma ASTM E797/E797M −
10
b) Tintas penetrantes, Norma ASTM E165/E165M − 12 o AWS D.1.1.
6.5.1.3. Ensayos destructivos
Este tipo de ensayos determinan la calidad mecánica del material, por cuestión de costos no
se practicaran ninguno de estos ensayos.
79
6.5.2. Información de primera categoría
Como no se contó con información de primera categoría se procedió a realizar el
levantamiento planimétrico del puente con ayuda de un equipo topográfico, medidor de
espesor remanente de acero estructural entre otros, para generar los planos estructurales del
mismo con el objeto de obtener el modelo de elementos finitos de dicho puente.
6.5.3. Información histórica y actual del tránsito
En el puente se realizó un estudio de tránsito para de esta manera obtener el TPD (Tránsito
Promedio Diario), configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc., pesajes y para
ello se hace necesario utilizar el sistema de pesaje estático, obteniendo las cargas reales de
los camiones y mediante un análisis probabilístico (Montecarlo), alimentar el modelo de
elementos finitos.
6.5.4. Determinación de esfuerzos
Se determinan los esfuerzos en los diferentes elementos y conexiones del puente con base
en el modelo de elementos finitos.
6.5.5. Caracterización a fatiga del metal base
De acuerdo a Ang and Munse, se utilizaron los valores de m y c para elementos de acero en
puentes. (Depende de la geometría de conexión y del tipo de Acero AISI-1018. AISI-1045,
AISI-1090, AISI-4340). (Ang and Munse, ASCE Structural Eng. Conference, 1975. Para de
esta manera poder determinar mediante la ley de Miner la cantidad de ciclos necesaria NT
para llevar cada elemento estructural a mecanismos de fatiga.
6.5.6. Vida remanente a fatiga
Esta evaluación de la vida remanente a fatiga se calculó según la AASHTO MBE (2011)
de acuerdo al numeral 5.7 de la metodología.
En el siguiente capítulo se amplía el desarrollo de la metodología de este puente como
Validación Metodológica.
80
Validación Metodológica, Puente Quebrada Blanca
Esta etapa consistió en seleccionar un puente vehicular en arco sobre la vía Bogotá–
Villavicencio, el puente en estudio es el Puente Quebrada Blanca ubicado en el municipio de
Guayabetal (ver figura 7.1). Para ello se contactó con la concesión Coviandes, que tiene a su
cargo la administración de la carretera Bogotá – Villavicencio quienes permitieron la
autorización para poder realizar el levantamiento del puente por consiguiente poder realizar
la respectiva inspección visual y ensayos no destructivos (END).
Ubicación:
El Puente Quebrada Blanca está ubicado cerca al municipio de Guayabetal el cual se
encuentra sobre la cordillera oriental a 1.500 msnm, en la región Oriental del Departamento
de Cundinamarca, sobre la vía que conduce de Bogotá a Villavicencio a 65 Km distante de
la capital. Exactamente en el Km PR. 73+700 aproximadamente a 45 minutos de la ciudad
de Villavicencio.
Para evaluar la vida a fatiga de los diferentes elementos del puente de Quebrada Blanca, fue
necesario investigar y conocer de la estructura los siguientes aspectos:
Datos de la geometría general, secciones transversales, tipos de uniones, dimensiones
de la losa, tipo de apoyo y otros, para lo cual se procedió a hacer un levantamiento
planimétrico del puente para de esta manera poder desarrollar el modelo
tridimensional del mismo.
Figura 7.1 Ubicación del puente Quebrada Blanca. Fuente propia
81
Patología estructural basada en ensayos no destructivos.
Condición estructural, comprobada en documentos e inspecciones anteriores.
Información histórica y actual del tránsito (conteos, TPDS, pesajes, configuración de los camiones, distancia entre ejes, etc.).
En general esta labor es dispendiosa, considerando que en muchos de los casos las entidades
públicas no poseen un archivo completo de la información de sus puentes para lo cual se hace
necesario hacer un estudio de campo muy exigente para tener toda la información que sea
necesaria.
7.1.Tipología del puente y zonas de investigación preliminar para detectar fatiga
y/o corrosión
En esta fase se identifica cual es la tipología de la superestructura y la infraestructura del
puente de Quebrada Blanca que es un puente vehicular en arco el cual cumple con todas las
características mencionadas en la sección 5.1. Además en esta fase se determinan cuáles
deben ser las zonas a investigar para poder detectar fatiga y/o corrosión.
7.2.Cargas variables en el tiempo
El puente Quebrada Blanca, puente a evaluar en esta metodología está sometido durante su
funcionamiento a cargas variables con el tiempo. Estas cargas en este caso son producidas
por los efectos del tránsito, variaciones de temperatura, presencia de ambientes corrosivos,
así como por la combinación de dos o más de estas causas.
7.3.Patología Estructural
Se propone en la siguiente fase una metodología para determinar las sintomatologías
estructurales con base en los siguientes puntos de la metodología:
a) Inspección visual por daños fatiga y/o corrosión de acuerdo al numeral 5.3.1
b) Determinación de las zonas de inspección visual de mayor importancia en el
puentes de acuerdo al numeral 5.3.1.1
c) Se realizó la verificación de espesores de soldadura filete de acuerdo al numeral
5.3.1.1.10
d) Dentro de los Ensayos No Destructivos del numeral 5.3.2, se realizaron Tintas
penetrantes en base a el numeral 5.3.2.6
La inspección se realizó de forma visual y con líquidos penetrantes. En puntos críticos de la
estructura del puente sobre la “Quebrada blanca” del municipio de Guayabetal,
Cundinamarca.
82
Procedimiento:
Todas y cada una de las soldaduras inspeccionadas fueron identificadas y marcadas, evitando
marcaciones permanentes. Se realizó una limpieza química para su inspección y solo sobre
aquellas que mostraban duda sobre la existencia y la magnitud de alguna discontinuidad, se
procedió a remover la pintura, hasta obtener una excelente limpieza y luego se utilizó el
método de Líquidos penetrantes (LP), para su correspondiente inspección.
Para la aplicación de la técnica de LP, se realizaron los siguientes pasos:
1 Limpieza inicial y secado: Consistió en limpiar perfectamente la zona de interés a ser
ensayada de tal forma de dejar las posibles discontinuidades libres de suciedad o materiales
extraños y su posterior secado.
2 Aplicación del Líquido Penetrante y Tiempo de penetración: Se cubrió la superficie de
interés con el LP y se dejó transcurrir el tiempo necesario para permitir que el LP se
introdujera mediante el fenómeno de capilaridad en las discontinuidades.
3 Limpieza intermedia: Se procedió después a remover el exceso de LP de la superficie, con
mucho cuidado evitando extraer aquel que se encuentra dentro de las discontinuidades.
4 Aplicación del revelador: Sobre la superficie ya preparada se colocó el revelador en forma
finamente pulverizada en una suspensión alcohólica y una vez evaporada, dejo una fina capa
de polvo.
5 Inspección y evaluación: Esta fina capa de revelador absorbió el LP retenido en las
discontinuidades, llevándolo a la superficie para hacerlo visible por contraste, en donde las
indicaciones fueron registradas y respectivamente evaluadas.
6 Limpieza final: Aunque los agentes químicos utilizados no son corrosivos, en los
materiales ensayados se eliminaron sus restos para prevenir posteriores ataques y
consecutivamente fueron pintados y dejados en óptimas condiciones.
Las aplicaciones de soldadura se revisaron por inspección visual, de acuerdo a lo exigido por
Bridge Welding Code: AASHTO/AWS D1.5M/D1.5:2010. Utilizando para ello las
herramientas requeridas como son: Cepillos (grata), Reglillas, Galgas, Flexo metro, etc. y
para la inspección con líquidos penetrantes se utilizaron los aprobados por ASME Sec. V.
Se registra fotográficamente cada una de las soldaduras inspeccionadas especialmente
aquellas que presentan discontinuidades.
En la inspección realizada en cada uno de los puntos seleccionados se observó lo siguiente:
83
PUNTO No. 1: Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el arco (ver figura 7.2).
En la figura 7.3 se ve la aplicación de las tintas penetrantes y en la figura 7.4 de determino
la inspección y evaluación de la soldadura.
Resultados:
Las aplicaciones de soldadura en la pieza presentan sanidad y buena apariencia, dando
cumplimiento a lo exigido por AASHTO/AWS D1.5, Numeral 3.6, Figura 3.3, Cap.6 y Anexo
J.
Figura 7.2 Limpieza inicial de Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el
arco para END.
Figura 7.3 Figura 7.3 Aplicación de tintas penetrantes.
Figura 7.4 Inspección y evaluación de soldadura.
84
PUNTO No. 2:
A-Nudo inferior; Aplicaciones de soldadura sobre las diagonales (2):
Figura 7.5 Limpieza del elemento del cordón
inferior.
Figura 7.6 Verificación soldadura cara
anterior.
Figura 7.8 Verificación soldadura cara
posterior.
Figura 7.7 Falta de llenado con material de aporte en la
soldadura.
85
Resultados:
Las aplicaciones de soldadura entre las diagonales y la cartela vertical (ver figuras de la 7.6
a la 7.10) presentan una apariencia irregular, Falta de llenado con material de aporte,
Socavado excesivo en longitudes superiores a 50mm y una profundidad de 1/8”, Perfiles de
soldaduras de filete desiguales (9x4mm) sobre montas en presentación, Falta de llenado en
cráter. Las cuales no cumplen con la norma establecida.
Ver: AASHTO/AWS D1.5, Numeral 3.6, Figura 3.3, Cap.6 y Anexo J.
B- Base del cajón inferior;
Figura 7.10 Soldadura con socavado excesivo.
Figura 7.9 Soldadura en la cartela vertical
con apariencia irregular.
Figura 7.11 Garganta insuficiente 40 mm. Figura 7.12 Discontinuidades en la
soldadura de 15 mm.
86
Resultados:
A-Entre la tapa del cajón y la cartela vertical, existe una garganta insuficiente (falta de
llenado) de soldadura de 40mm x 15mm, que facilita la entrada de aguas pluviales (ver
figuras 7.11 y 7.12).
B- Entre las soldaduras de filete, existe una garganta insuficiente de 15mm (ver figura 7.13).
Ambas discontinuidades fuera de la norma AASHTO/AWS D1.5.
PUNTO No. 3: Nudo inferior y las diagonales desde la calzada:
Figura 7.13 Garganta insuficiente 15 mm.
Figura 7.15 Acumulación de agua y vegetación en las
diagonales del cordón inferior por mal estado de las juntas.
Figura 7.14 Verificación de soldaduras.
87
Resultados:
A- En la parte inferior de la Junta (ver figuras 7.14 a la 7.17), donde descansan las diagonales,
a pesar de la entrada permanente de aguas pluviales y el nacimiento de vegetación, no se
evidencia corrosión o discontinuidades visibles.
B- Las soldaduras de filete presentan buena apariencia y sanidad (ver figura 7.18), pero la
entrada permanente de aguas pluviales no permiten la inspección por líquidos penetrantes.
Figura 7.16 Acumulación de agua y vegetación en
el cordón inferior por mal estado de las juntas. Figura 7.17 Limpieza para posterior verificación de
soldaduras
Figura 7.18 Soldaduras de filete presentan buena apariencia
y no se evidencia corrosión.
88
PUNTO No 4; Parte inferior de la Junta de la calzada.
Resultados:
Las vigas transversales y longitudinales (ver figuras de la 7.19 a la 7.22) se ven afectadas y
presentan corrosión leve por la entrada permanente de aguas pluviales, lo cual no permite
generar la inspección con PT.
Por la condición de la losa se hace necesario un mantenimiento más frecuente, para evitar
un rápido deterioro de los elementos.
Figura 7.22 Corrosión en vigas longitudinales. Figura 7.21 Corrosión en vigas transversales.
Figura 7.19 Vigas transversales y longitudinales
presentan corrosión. Figura 7.20 Corrosión producida por entrada
permanente de aguas pluviales.
89
PUNTO No.5; Diagonales al cajón inferior;
Resultados:
Las soldaduras de filete vertical (ver figuras de la 7.23 a la 7.26) muestran, Garganta
insuficiente, Socavado excesivo, Convexidad excesiva, Condiciones inaceptables para AWS
D1.5.
Numeral 3.6, Figura 3.3, Cap.6 y Anexo J.
Figura 7.23 Diagonales del cordón inferior cuyas
soldaduras presentaron garganta insuficiente. Figura 7.24 Diagonales del cordón cuyas soldaduras
presentaron socavado excesivo y convexidad
excesiva.
Figura 7.26 Soldaduras de filete vertical que
muestran convexidad excesiva. Figura 7.25 Soldaduras de filete que presentan socavado
excesivo y convexidad excesiva.
90
PUNTO No 6; Refuerzo superior del ARCO;
Resultados:
Las aplicaciones de soldadura a tope en el refuerzo del arco (ver figuras de la 7.27 a la 7.30),
presentan sanidad, buena apariencia, cumpliendo con AWS D1.5.
Figura 7.27 Verificación de soldaduras en el
elemento de arco. Figura 7.28 Verificación del refuerzo superior en el
elemento de arco.
Figura 7.30 Verificación de soldaduras a
tope en el elemento de arco.
Figura 7.29 Soldadura a tope en el refuerzo del
arco presenta sanidad y buena apariencia.
91
PUNTO No 7; Refuerzo vertical del Arco:
Resultados:
Algunas de las soldaduras de filete horizontal (ver figuras de la 7.31 y 7.32) y las uniones a
tope vertical, del refuerzo vertical lateral del arco (ver figura 7.33), muestran garganta
insuficiente, pierna insuficiente, porosidad, socavado excesivo. Fuera de norma de acuerdo
al numeral 3.6, Figura 3.3 y Capitulo 6 parte D, Anexo J, de AASHTO/AWS D1.5.
Figura 7.32 Soldadura de filete horizontal que presenta
pierna y garganta insuficiente, porosidad y socavado
excesivo.
Figura 7.33 Uniones a tope vertical presentan
garganta insuficiente y socavado excesivo.
Figura 7.31 Refuerzo vertical del arco.
92
PUNTO No. 8: Refuerzos en el Arco:
Resultados:
Algunas de las soldaduras de filete en la base y en las uniones verticales del refuerzo vertical
del elemento de arco (ver figuras de la 7.34 a la 7.37), muestran garganta insuficiente, pierna
insuficiente, socavado excesivo. Fuera de norma de acuerdo a AASHTO/AWS D1.5.
Figura 7.34 la soldadura de filete en las uniones
verticales del refuerzo vertical del elemento de
arco, muestran garganta insuficiente, pierna
insuficiente, socavado excesivo.
Figura 7.36 Aplicación del revelador en la
superficie de interés, no se presentan
discontinuidades mayores.
Figura 7.35 Limpieza inicial y secado de la soldadura.
Figura 7.37 Aplicación del Líquido Penetrante en la
superficie de interés.
93
PUNTO No. 9: Punto que presenta oxidación sobre el arco.
Resultados:
Se inspecciona el depósito de soldadura que presenta picado por corrosión (ver figuras 7.38
y 7.39), pero no presenta discontinuidades mayores, se limpia y se pinta, quedando en
condiciones aceptables de acabado.
Figura 7.38 Limpieza del depósito de soldadura que presenta picado por corrosión para END.
Figura 7.39 END de tintas en donde no se presentan discontinuidades mayores.
94
PUNTO No. 10: Base de los rigidizadores.
Todas las soldaduras de las bases de los rigidizadores (ver figuras 7.40 y 7.41) se encuentran
en buen estado a pesar de la coloración que presentan por la oxidación de los elementos
tensionados (rigidizadores).
PUNTO No. 11: Apoyos.
Figura 7.40 Soldaduras de las bases de los
rigidizadores se encuentran en buen estado.
Figura 7.42 Apoyo tipo balancín completamente
deformado.
Figura 7.41 Base de los rigidizadores.
95
Los apoyos son tipo balancín, en la figura 7.42 él apoyo está completamente deforme, no
funciona como apoyo, y debe ser remplazado.
PUNTO No. 12: Arcos
Deformación en el flange del elemento de arco roblonado (ver figura 7.43), al parecer por
impacto.
PUNTO No. 13: Base de los Arcos
Figura 7.43 Deformación de la aleta inferior del elemento de
arco remachado.
Figura 7.44 Acumulación de partículas sólidas,
vegetación y generación de oxidación. (Arco
nororiental).
Figura 7.45 Acumulación de partículas sólidas,
vegetación y generación de oxidación. (Arco
noroccidental).
96
En la base del elemento de arco se observa acumulación de partículas sólidas y vegetación
(ver figuras 7.44 y 7.45), generando humedad permanente en esta zona y por ende oxidación.
PUNTO No. 14: Refuerzo de los Arcos
La cara superior en la figura 7.46 e inferior del elemento de arco en la figura 7.47 tiene una
lámina de acero en el centro en sentido longitudinal de 9 mm de espesor utilizada como
reforzamiento del elemento, con soldadura de filete discontinua que permite la penetración
de agua generando oxidación.
PUNTO No. 15: Viga transversal del Arco:
Figura 7.47 Cara inferior del elemento de arco con
lámina de acero con soldadura de filete discontinua.
Figura 7.46 Cara superior del elemento de arco con
lámina de acero con soldadura de filete discontinua
Figura 7.48 Viga transversal en “I” del arco presenta una deformación por
colisión.
97
La viga en I transversal del arco en la figura 7.48 presenta una deformación por colisión.
PUNTO No. 16: Barras de acero de alta resistencia
Las barras de acero de alta resistencia (ver figuras 7.49 y 7.50), que colocaron para reforzar
el puente generan movimientos excesivos, presentan asimetría, los empalmes de estas en
ambos extremos presentan excentricidades entre 3 y 5 cm aproximadamente, y un grado de
leve de corrosión. Mecánicamente estas barras no están cumpliendo con su función de
tensionamiento.
Figura 7.50 Las barras de acero de alta resistencia
presentan asimetría y un grado de leve de
corrosión..
Figura 7.49 Las barras de acero de alta en ambos
extremos presentan excentricidades entre 3 y 5 cm
aproximadamente, y un grado de leve de corrosión.
98
PUNTO No. 17: Pendolones
Los pendolones que se encuentran ubicados en el centro de la luz del puente presentan un
pandeo importante (ver figuras 7.51 y 7.52).
Figura 7.52 Pandeo en los pendolones del centro de la
luz con falta de alineación de los cables.
Figura 7.51 Pandeo en los pendolones del centro de la
luz.
99
Se evidencio la falta de alineación de los cables y pendolones, además de corrosión en los
mismos.
Algunas de las soldaduras de filete en la base y en las uniones verticales del refuerzo vertical
de la superestructura (ver figuras 7.53 y 7.54), muestran Garganta insuficiente, Pierna
insuficiente, Socavado excesivo, oxidación fuerte. Fuera de norma. De acuerdo a
AASHTO/AWS D1.5.
PUNTO No. 18: Juntas
Los problemas más comunes en las juntas de expansión (ver figuras 7.55 y 7.56), son la
infiltración, descomposición, fractura del concreto aledaño a las juntas, agrietamiento, que
conlleva a un aumento del impacto. Se presentan problemas de infiltración, corrosión y
fractura de juntas de ángulo. En general, la mayoría de las juntas tienen problemas de diseño
estructural, lo que genera un funcionamiento inadecuado.
Figura 7.54 Soldaduras de filete en la base y en las
uniones verticales, muestran garganta insuficiente,
socavado excesivo y oxidación fuerte.
Figura 7.53 Soldaduras de filete en las uniones
verticales del refuerzo vertical presentan, pierna
insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte.
100
Figura 7.55 Funcionamiento inadecuado de las juntas con fractura de las mismas, las cuales permiten la filtración de
agua y por ende la corrosión.
Figura 7.56 Funcionamiento inadecuado de las juntas con fractura de las mismas, descomposición y fractura del
concreto aledaño a las juntas las cuales permiten la filtración de agua y por ende la corrosión.
101
PUNTO No. 19: Corrosión generada por la filtración de agua por mal estado de juntas (ver
figuras de la 7.57 a la 7.65).
Figura 7.57 Corrosión generada por la filtración de agua debido a la fractura de las juntas.
Figura 7.58 Corrosión generada por la filtración de agua debido a la fractura de las juntas próximas al apoyo.
102
Figura 7.59 Corrosión en vigas tanto longitudinales como transversales, generada por la filtración de
agua debido a la fractura de las juntas próximas al apoyo.
Figura 7.60 Corrosión excesiva y pérdida de sección, generada por la filtración de agua debido a la
fractura de las juntas próximas al apoyo.
103
Figura 7.61 Corrosión excesiva con pérdida de sección y soldaduras con garganta insuficiente, pierna
insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte.
Algunas de las soldaduras de filete en la base y en las uniones verticales del refuerzo vertical
de la superestructura, muestran garganta insuficiente, Pierna insuficiente, Socavado
excesivo, oxidación fuerte. Fuera de norma. De acuerdo a AASHTO/AWS D1.5.
Figura 7.62 Corrosión en el cordón inferior y en las diagonales, generada por la filtración de agua debido
a la fractura de juntas.
104
Figura 7.63 Corrosión y agrietamiento del
concreto en proximidades a la placa. Figura 7.64 Corrosión en una de las
diagonales que soporta los pendolones.
Figura 7.65 Agua estancada en la viga principal media. Afectación por corrosión.
105
PUNTO No. 20: Sobrecarga en el puente Quebrada Blanca (ver figuras 7.66 y 7.67).
El Puente de Quebrada Blanca está siendo usado por vehículos pesados, y éste cuenta con
restricción de la circulación vehicular a un solo vehículo pesado con una carga máxima de
50 toneladas.
Figura 7.66 Tres Camiones C3-S2 represados en el puente.
Figura 7.67 Sobrecarga en el puente Quebrada Blanca con camiones tipo C3-S2 y otros en ambos
sentidos.
106
7.4. Información de primera categoría.
En esta fase no se cuenta con información de primera categoría en especial con los numerales
a y g de la seccion 5.4, por lo cual se hizo necesario adelantar un levantamiento tanto
planimétrico como estructural del puente, utilizando equipos de medición tales como: nivel
topográfico, distanciometro, cinta métrica, calibrador vernier o pie de rey, medidor de
espesor de acero de acuerdo a lo estipulado en el numeral 5.3.2.1. Todo esto con el fin de
desarrollar un modelo del puente en elementos finitos.
7.4.1. Modelo estructural
El Modelo estructural fue desarrollado en Auto CAD 3D (ver figuras de la 7.72 a la 7.75), y
luego importado a SAP 2000 (ver figuras 7.78 y 7.79), con base en el levantamiento
planimétrico efectuado en campo.
Figura 7.68 Modelo 3D en AutoCAD del Puente Quebrada Blanca
107
Figura 7.69 Modelo 3D en AutoCAD Vista en Planta
Figura 7.70 Modelo 3D en AutoCAD Vista de Perfil
Figura 7.71 Modelo 3D en AutoCAD Vista Fronta
108
Las propiedades del Acero se describen en la figura 7.72.
Figura 7.72 Definición de las propiedades del Acero en SAP 2000
109
Las propiedades del Concreto se describen en la figura 7.73.
Figura 7.73 Definición de las propiedades del Concreto en SAP 2000
110
Figura 7.74 Modelo 3D en SAP 2000
La placa del tablero se diseñó como una sección de área tipo Shell.
Figura 7.75 Modelo de elementos finitos del Puente de Quebrada Blanca en Sap 2000
111
Cada elemento se modelo en la aplicación section designer del Sap 2000, de acuerdo al
levantamiento estructural efectuado en campo, por ejemplo:
El cordón superior (ver figura 7.80) está conformado por 4 ángulos de 127x127x10
milímetros.
Figura 7.76 Diseño del cordón superior en SAP 2000
112
El cordón inferior (ver figura 7.81) está conformado por 2 ángulos de 127x127x13
milímetros.
Figura 7.77 Diseño del cordón inferior en SAP 2000
113
Las diagonales (ver figura 7.82) están conformadas por 2 ángulos de 76x76x8 milímetros.
Figura 7.78 Diseño de las diagonales en SAP 2000
114
La viga transversal (ver figura 7.83) está conformada por 4 ángulos de 127x127x10
milímetros.
Figura 7.79 Diseño de la viga transversal en SAP 2000
115
El elemento de Arco (ver figura 7.84) está conformado por 8 ángulos de 127x127x13
milímetros.
Figura 7.80 Diseño del Arco en SAP 2000
116
Los pendolones (ver figura 7.85) están conformados por 4 ángulos de 50x50 milímetros,
adaptados en una sección de 300 x 300 milímetros.
Figura 7.81 Diseño de los pendolones en SAP 2000
117
Viga transversal a los elementos de Arco (ver figura 7.86).
Figura 7.82 Diseño de la viga transversal al Arco en SAP 2000
De la misma manera se diseñaron cada uno de los demás elementos como fueron los
arriotramientos de las vigas de rigidez tanto transversales como longitudinales, así como los
arriotramientos de los elementos de arco.
7.5. Información histórica y actual del tránsito
Para la caracterización de la fatiga en el puente, se debe tener información de la historia de
la carga más importante que causa esfuerzos repetitivos en el puente. Con base en los
registros de las mediciones periódicas que la Agencia Nacional de Infraestructura (ANI) hace
sobre el tránsito promedio diario (TPD) en el corredor vial Bogotá-Villavicencio, se
determinó su tasa de crecimiento anual ( basados en los porcentajes de camiones).
118
Figura 7.83 Aforos. Figura 7.84 Aforos en campo.
La actual Ruta Bogotá-Villavicencio según la ANI cuenta con tránsitos en 2010 de 7.990
vehículos/día entre Chipaque y Cáqueza, 7.905 vehículos/día entre Cáqueza y Puente
Quetame, y de 6.842 vehículos/día entre Puente Quetame y Villavicencio, con cerca de un
40% de camiones en los tres tramos, presenta en todo su recorrido un bajísimo nivel de
servicio E, derivado de sus características geométricas, una sola calzada, fuertes pendientes,
velocidad de proyecto de 50-70 km/hora, y del tránsito que soporta, sobre todo de camiones
y de todo tipo de vehículos de carga.
Las cifras del 2011 dan un promedio de 9.500 vehículos/día, con un sensible incremento
respecto al año 2010 siempre con un volumen de camiones que supera los 4.000 vehículos/día
en ambos sentidos; por último y como dato representativo de la situación actual de la TPDS
alcanzado por el estudio de tránsito en el peaje de Boquerón entre el 3 de septiembre y el 9
de septiembre de 2012, fue de 10.179 vehículos/día con un 39% de camiones y un 2% de
autobuses. El pico de tránsito alcanzado fue de 11.654 vehículos/día el viernes 7 de
septiembre de 2012.
Esta cifra, que supone 4.002 camiones/día de media semanal se reparte de forma constante
desde las 00:05 AM hasta las 23:00 PM con más de 500 vehículos/hora en ambos sentidos
de los que alrededor de 200 son camiones de gran tonelaje.
El corredor como conjunto ha experimentado un crecimiento apreciable en el periodo 2003-
2011. Para el conjunto de vehículos se ha registrado, en este periodo, una tasa media anual
del 7,4%.
De acuerdo al estudio de tránsito realizado en el 2012 en el puente de Quebrada Blanca (ver
figuras 7.83 y 7.84), durante una semana desde las 00:00 AM hasta las 23:00 PM en ambos
sentidos determine que el TPD alcanzado fue de 8251 vehículos/día con un 35% de camiones,
8% de buses y un 57% de autos de un total de 57756 vehículos, como se muestra en la
Tabla 7.1.
119
Tabla 7.1 Tránsito Promedio Diario del Puente Quebrada Blanca
Tabla 7.2 Distribución porcentual de Camiones según el TPD del Puente Quebrada
Blanca
La clasificación de los camiones se realizó de la siguiente manera:
C-2P: Camiones pequeños de dos ejes
C-2G: Camiones grandes de dos ejes
C-3-4: Camiones entre tres y cuatro ejes
C-5: Camiones de cinco ejes
>C-5: Camiones mayores a cinco ejes
Con los datos obtenidos para el TPD entre 2003-2011por la ANI y el TPD de 2012 efectuado
en el puente de Quebrada Blanca, teniendo en cuenta los % de camiones de la Tabla 7.2, se
determinó la curva de tendencia (lineal) (ver figura 7.70), con la cual se evaluó el crecimiento
del tránsito en el corredor vial del puente de Quebrada Blanca.
Utilizando los datos obtenidos del modelo lineal se proyectaron las tasas de crecimiento anual
y su correspondiente promedio. Los datos obtenidos por el modelo y las tasas de crecimiento
aproximadas año a año se muestran en la Tabla 7.3.
TPD Puente Quebrada Blanca (2012)
8251 vehículos/día
Autos Buses Camiones Total
33073 4711 19972 57756
57,26% 8,16% 34,58% 100%
57% 8% 35% 100%
Camiones de Conteo (2012)
Total Semanal y Distribución Porcentual
C-2P C-2G C-3-4 C-5 >C-5 TOTAL
4806 3672 1732 5258 4504 19972
24,06% 18,39% 8,67% 26,33% 22,55% 100%
24% 18% 9% 26% 23% 100%
120
Tabla 7.3 Tasa de crecimiento anual producto del ADTT
Año TPD %
Camiones ADTT
Lineal
(ADTT)
Tasa de
crecimiento
(%)
2003 4514 21 947,94 998,56 0
2004 5070 24 1216,80 1196,08 19,780
2005 5568 26 1447,68 1393,60 16,514
2006 6258 25 1564,50 1591,12 14,173
2007 6869 25 1717,25 1788,64 12,414
2008 6973 29 2022,17 1986,16 11,043
2009 7837 30 2351,10 2183,68 9,945
2010 7882 29 2285,78 2381,20 9,045
2011 7997 30 2399,10 2578,72 8,295
2012 8251 35 2887,85 2776,24 7,660
Total promedio 1884,02 12,097
De esta proyección lineal promedio se obtiene que el 12.09%, corresponde a la tasa de
crecimiento anual.
Figura 7.85 Comportamiento histórico del ADTT
y = 197,52x - 394634R² = 0,9714
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Trá
nsi
toP
rom
edio
Dia
rio P
esad
o
Año de Registro
Comportamiento histórico del TPD para tránsito pesado
ADTT
Lineal (ADTT)
121
Otra característica importante que debe definirse en el estudio de fatiga es la distribución del
tránsito pesado en los carriles de la vía. En el caso del puente Quebrada Blanca, y debido a
que hace parte de un corredor vial cuya configuración demanda obligatorio movimiento del
tránsito pesado tanto de ida como de regreso por el mismo carril que usan los automóviles,
buses y camiones, el factor de distribución de tránsito pesado b se tomó como 1.0 (Ver figura
7.71).
Figura 7.86 Parámetro b de distribución del tránsito pesado sobre el puente. Adaptado Fuente AASHTO
2011.
7.6.Monitoreo de cargas, esfuerzos y deformaciones de servicio durante operación
Para la evaluación de fatiga de estructuras existentes, es relevante validar los modelos
computacionales o calibrarlos y así poder determinar la importancia de las variables
involucradas dentro de un análisis de confiabilidad estructural. En esta sección por cuestión
de costos fue imposible la instrumentación del puente de Quebrada Blanca con el fin de
realizar el respectivo monitoreo para obtener las cargas y los esfuerzos en el tiempo debido
a estas, sin embargo los esfuerzos en el tiempo se obtuvieron por medio de una simulación
numérica gracias al modelo de elementos finitos realizado.
7.6.1. Simulación numérica
La simulación numérica se desarrolla mediante el método de Montecarlo el cual permite
resolver problemas matemáticos mediante la simulación de variables aleatorias, creadas estas
según el estudio de tránsito efectuado en el puente de Quebrada blanca y teniendo en cuenta
el porcentaje de camiones según su número de ejes como se describió anteriormente en el
estudio de tránsito.
122
Las características geométricas de los camiones antes mencionados se presentan en las
figuras 7.87, 7.88 y 7.89.
Figura 7.87 Camión tipo C2, con las cargas por eje en toneladas.
Fuente adaptada (E. E. Muñoz & Núñez, 2005).
Figura 7.88 Camión tipo C3-S2, con las cargas por eje en toneladas.
Fuente adaptada (E. E. Muñoz & Núñez, 2005)
Figura 7.89 Camión tipo C3-S3, con las cargas por eje en toneladas.
Fuente adaptada (E. E. Muñoz & Núñez, 2005)
Por medio del programa SAP 2000 con el modelo estructural del puente se hacen circular los
diferentes tipos de camiones de acuerdo a su geometría y según el TPD de acuerdo a la tabla
7.2, para poder determinar los esfuerzos en diferentes elementos y conexiones del puente en
relación a los ciclos de carga producto del paso de los camiones y así realizar la
correspondiente evaluación de fatiga.
123
Figura 7.90 Líneas de carga definidas en SAP 2000
Las líneas de carga son las líneas roja y morada por donde circularán los vehículos tanto en
la dirección sur–norte como en la dirección norte-sur (ver figura 7.90).
En SAP 2000 se definen los vehículos de acuerdo a sus cargas, por ejemplo el C3-S2 (ver
figura 7.91) y el C3-S3 (ver figura 7.92).
124
Figura 7.91 Definición en SAP 2000 de las cargas del vehículo C3-S2.
Figura 7.92 Definición en SAP 2000 de las cargas del vehículo C3-S3.
125
Figura 7.93 Simulación numérica del paso de camiones en el puente según el ADTT en un Δt.
Figura 7.94 Simulación numérica del paso de camiones por el puente según el ADTT en un Δt diferente.
En las figuras 7.93 y 7.94 se pretende mostrar la simulación numérica del paso de camiones
en el puente de Quebrada Blanca según el estudio de tránsito y mediante el método de
Montecarlo.
126
7.7.Determinación de la vida remanente de los diferentes elementos estructurales
de la súper-estructura del puente Quebrada Blanca.
Se procede a calcular la vida remanente de los diferentes elementos estructurales de la súper
estructura del puente de Quebrada Blanca teniendo en cuenta los pasos utilizados en la
sección 5.7 la cual nos explica de una manera muy sencilla cómo obtener los parámetros
indicados en las Tablas 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8 y 7.9, con base a la carrera de tensiones,
calculando los deltas de esfuerzo y de allí los rangos de los diferentes elementos estudiados
como son: elemento diagonal (ver figura 7.96), elemento del cordón inferior (ver figura 7.97),
elemento viga transversal (ver figura 7.100), elemento de arco (ver figura 7.102), elemento
del cordón superior (ver figura 7.104) y elemento pendolón (ver figura 7.106).
7.7.1. Ejemplo de Cálculo de Rango de Esfuerzos
Figura 7.95 Ejemplo de cálculo del rango de esfuerzos en un Δt = 110 s, de una de las diagonales
del puente Quebrada Blanca
Para calcular los rangos de esfuerzos producto de la simulación en un delta de tiempo, fue
necesario crear un programa el Excel en donde:
La primera columna es la posición, es decir el delta de tiempo Δt (s).
La segunda columna son los esfuerzos obtenidos de la simulación en kg/cm2
La tercera columna es el cálculo de las pendientes de la curva de esfuerzos.
La cuarta columna es la evaluación de las pendientes de la curva de esfuerzos, si es negativa
(-1) o positiva (1).
La quinta columna es el cambio de pendiente, si la curva maneja la misma pendiente (0) y si
hay cambio (1).
La sexta columna es el delta de esfuerzo, donde hay los cambios de pendiente.
La última columna es donde se calcula los rangos que son la diferencia en valor absoluto de
los deltas de esfuerzo.
127
A continuación se presenta un ejemplo de cálculo de uno de los rangos de esfuerzos de un
elemento de una de las diagonales del puente Quebrada Blanca.
Datos del programa creado en Excel del cálculo de rangos de esfuerzo de una de las
diagonales del Puente de Quebrada Blanca.
Figura 7.96 Diagonal, esfuerzo vs tiempo en Δt= 100 s
PosiciónEsfuerzo
Kg/cm2
Pendiente
(m)Eval Cambio DELTA-S
Rangos de
Esfuerzo
1 0 - - - - -
2 -4,5201389 -4,5201389 -1 - - -
. . . . . . .
. . . . . . .
370 371,67543 64,050791 1 0 0 .
371 308,06518 -63,610249 -1 1 371,67543
372 158,2053 -149,85987 -1 0 0
373 48,628404 -109,5769 -1 0 0
374 -67,879048 -116,50745 -1 0 0 659,16842
375 -219,11242 -151,23337 -1 0 0
376 -287,493 -68,380577 -1 0 0
377 -260,81722 26,675777 1 1 -287,493
-450
-350
-250
-150
-50
50
150
250
350
450
400 420 440 460 480 500
Esf
uer
zo (
Kg/c
m2)
Tiempo (s)
Esfuerzos en Δt = 100 s
Diagonal Puente Quebrada Blanca
128
Tabla 7.4 Elemento Diagonal F-104
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 565 0,38227334
140 1,99123453 222 0,15020298
210 2,9868518 129 0,08728011
280 3,98246907 78 0,05277402
350 4,97808633 56 0,03788904
420 5,9737036 46 0,03112314
490 6,96932087 78 0,05277402
560 7,96493813 74 0,05006766
630 8,9605554 108 0,07307172
700 9,95617267 78 0,05277402
770 10,9517899 39 0,02638701
840 11,9474072 4 0,00270636
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 0 0
1050 14,934259 1 0,00067659
1120 15,9298763 0 0
1478 100%
Figura 7.97 Diagonal, esfuerzo vs tiempo
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
1
17
9
35
7
53
5
71
3
89
1
10
69
12
47
14
25
16
03
17
81
19
59
21
37
23
15
24
93
26
71
28
49
30
27
32
05
33
83
35
61
37
39
39
17
40
95
42
73
44
51
46
29
48
07
49
85
51
63
53
41
ES
FU
ER
ZO
Kg/c
m2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Diagonal Puente Quebrada Blanca
129
Tabla 7.5 Elemento Cordón Inferior F-1866
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 236 0,19683069
140 1,99123453 93 0,07756464
210 2,9868518 114 0,09507923
280 3,98246907 146 0,12176814
350 4,97808633 109 0,09090909
420 5,9737036 89 0,07422852
490 6,96932087 117 0,09758132
560 7,96493813 152 0,12677231
630 8,9605554 112 0,09341118
700 9,95617267 29 0,02418682
770 10,9517899 1 0,00083403
840 11,9474072 0 0
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 1 0,00083403
1050 14,934259 0 0
1120 15,9298763 0 0
1199 100%
Figura 7.98 Cordón Inferior, esfuerzo vs tiempo
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
11
79
35
75
35
71
38
91
10
69
12
47
14
25
16
03
17
81
19
59
21
37
23
15
24
93
26
71
28
49
30
27
32
05
33
83
35
61
37
39
39
17
40
95
42
73
44
51
46
29
48
07
49
85
51
63
53
41
Esf
uer
zo
Kg
/cm
2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Cordón Inferior Puente Quebrada Blanca
130
Tabla 7.6 Elemento Viga transversal F-1425
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 1679 1
140 1,99123453 0 0
210 2,9868518 0 0
280 3,98246907 0 0
350 4,97808633 0 0
420 5,9737036 0 0
490 6,96932087 0 0
560 7,96493813 0 0
630 8,9605554 0 0
700 9,95617267 0 0
770 10,9517899 0 0
840 11,9474072 0 0
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 0 0
1050 14,934259 0 0
1120 15,9298763 0 0
1679 1
Figura 7.99 Viga transversal, esfuerzo vs tiempo
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
1
18
5
36
9
55
3
73
7
92
1
11
05
12
89
14
73
16
57
18
41
20
25
22
09
23
93
25
77
27
61
29
45
31
29
33
13
34
97
36
81
38
65
40
49
42
33
44
17
46
01
47
85
49
69
51
53
53
37
Esf
uer
zo
Kg/c
m2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Viga Transversal Puente Quebrada Blanca
131
Tabla 7.7 Elemento Arco F-1826
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 412 0,25621891
140 1,99123453 768 0,47761194
210 2,9868518 428 0,26616915
280 3,98246907 0 0
350 4,97808633 0 0
420 5,9737036 0 0
490 6,96932087 0 0
560 7,96493813 0 0
630 8,9605554 0 0
700 9,95617267 0 0
770 10,9517899 0 0
840 11,9474072 0 0
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 0 0
1050 14,934259 0 0
1120 15,9298763 0 0
1608 1
Figura 7.100 Arco, esfuerzo vs tiempo.
-150
-100
-50
0
50
100
150
11
63
32
54
87
64
98
11
97
31
135
12
971
459
16
211
783
19
452
107
22
692
431
25
932
755
29
173
079
32
413
403
35
653
727
38
894
051
42
134
375
45
374
699
48
615
023
51
855
347
Esf
uer
zoK
g/c
m2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Arco Puente Quebrada Blanca
132
Tabla 7.8 Elemento Cordón superior F-2627
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 1295 0,72346369
140 1,99123453 298 0,16648045
210 2,9868518 197 0,11005587
280 3,98246907 0 0
350 4,97808633 0 0
420 5,9737036 0 0
490 6,96932087 0 0
560 7,96493813 0 0
630 8,9605554 0 0
700 9,95617267 0 0
770 10,9517899 0 0
840 11,9474072 0 0
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 0 0
1050 14,934259 0 0
1120 15,9298763 0 0
1790 1
Figura 7.101 Cordón superior, esfuerzo vs tiempo.
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
11
63
32
54
87
64
98
11
97
31
135
12
971
459
16
211
783
19
452
107
22
692
431
25
932
755
29
173
079
32
413
403
35
653
727
38
894
051
42
134
375
45
374
699
48
615
023
51
855
347
Esf
uer
zo
Kg/c
m2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Cordon Superior Puente Quebrada Blanca
133
Tabla 7.9 Elemento Pendolón F-50
Si
kg/cm2
Si
Ksi Ciclos α
70 0,99561727 1138 0,49521323
140 1,99123453 711 0,30939948
210 2,9868518 445 0,19364665
280 3,98246907 4 0,00174064
350 4,97808633 0 0
420 5,9737036 0 0
490 6,96932087 0 0
560 7,96493813 0 0
630 8,9605554 0 0
700 9,95617267 0 0
770 10,9517899 0 0
840 11,9474072 0 0
910 12,9430245 0 0
980 13,9386417 0 0
1050 14,934259 0 0
1120 15,9298763 0 0
2298 1
Figura 7.102 Pendolón, esfuerzo vs tiempo
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
1
163
325
487
649
811
973
113
5
129
7
145
9
162
1
178
3
194
5
210
7
226
9
243
1
259
3
275
5
291
7
307
9
324
1
340
3
356
5
372
7
388
9
405
1
421
3
437
5
453
7
469
9
486
1
502
3
518
5
534
7
ES
FU
ER
ZO
Kg
/cm
2
Tiempo (s)
Esfuerzos vs Tiempo
Pendolón Puente Quebrada Blanca
134
7.7.2. Distribuciones de probabilidad de Rango de Esfuerzos
Para los datos de muestra de los rangos de esfuerzos de cada uno de los elementos del puente
de Quebrada Blanca, como lo son: el elemento diagonal de entrada, cordón inferior, viga
transversal, arco, cordón superior y pendolón, se determinaron unas funciones de distribución
de probabilidad. Para los datos de muestra, se eligió clasificar los ajustes según la estadística
Kolmogorov-Smirnov (KS).
Es importante aclarar que el comportamiento de estos datos obtenidos de la simulación
numérica, es debido a la presentación de las cargas de los camiones de acuerdo a las
diferentes categorías según en el número de ejes y su porcentaje de acción de acuerdo al
estudio de tráfico efectuado en dicho puente.
Estadístico Kolmogorov-Smirnov (K-S)
Esta estadística indica el nivel de coincidencia entre el ajuste y los datos de entrada, y el
nivel de confianza que puede tener en que los datos han sido producidos por la función de
distribución. Para esta estadística, cuanto menor sea el valor mejor es el ajuste.
Se define como
𝑫𝒏 = 𝒔𝒖𝒑[|𝑭𝒏(𝒙) − 𝑭𝟎(𝒙)|]
Dónde:
n = número total de puntos de datos
𝑭𝟎(𝒙) = la función de distribución acumulativa ajustada
𝑭𝒏(𝒙) = es un estimador de la probabilidad de observar valores menores o iguales que x
El estadístico K-S no requiere el establecimiento de intervalos, lo cual hace que sea un
estadístico menos arbitrario que el de Chi-cuadrado. Uno de los inconvenientes del
estadístico K-S es que no detecta muy bien discrepancias en los extremos.
Para cada uno de los elementos estructurales del puente de Quebrada blanca se determinan
los mejores ajustes de acuerdo a Kolmogorov-Smirnov (K-S) y son los siguientes:
7.7.2.1. Distribución de Probabilidad Beta General para la Diagonal de entrada
Ajuste Rango de Esfuerzos
Diagonal de Entrada
Función Beta General
K-S 0.0765
Mínimo 0.00403
Máximo 1044.2093
Media 228.9104
Moda 0.00403
135
Figura 7.103 Distribución Beta General - Diagonal de entrada
7.7.2.2. Distribución de Probabilidad Normal para el Cordón Inferior
Ajuste Rango de Esfuerzos
Cordón Inferior
Función Normal
K-S 0.077
Mínimo -Infinito
Máximo +Infinito
Media 299.8415
Moda 299.8415
Mediana 299.8415
Desviación est. 202.53
Figura 7.104 Distribución Normal – Cordón Inferior
136
7.7.2.3. Distribución de Probabilidad Normal para la Viga Transversal
Ajuste Rango de Esfuerzos
Viga Transversal
Función Normal
K-S 0.0775
Mínimo -Infinito
Máximo +Infinito
Media 5.6397
Moda 5.6397
Mediana 5.6397
Desviación est. 3.9286
Figura 7.105 Distribución Normal – Viga Transversal
7.7.2.4. Distribución de Probabilidad Triangular para el Arco
Ajuste Rango de Esfuerzos
Arco
Función Triangular
K-S 0.0348
Mínimo -19.233
Máximo 200.84
Media 106.48
Moda 137.832
Mediana 112.231
Desviación est. 46.2695
137
Figura 7.106 Distribución Triangular – Arco
7.7.2.5. Distribución de Probabilidad Log Normal para el Cordón Superior
Ajuste Rango de Esfuerzos
Cordón Superior
Función Log-normal
K-S 0.0719
Mínimo -0.5411
Máximo +Infinito
Media 59.1638
Moda 2.9452
Mediana 22.6219
Desviación est. 141.8422
Figura 7.107 Distribución Log normal – Cordón Superior
138
7.7.2.6. Distribución de Probabilidad Log Logística para el Pendolón
Ajuste Rango de Esfuerzos
Pendolón
Función Log-logística
K-S 0.0956
Mínimo -22.052
Máximo +Infinito
Media 92.3024
Moda 40.5442
Mediana 65.0798
Desviación est. 133.4161
Figura 7.108 Distribución Log logística - Pendolón
139
7.7.3. Cantidad de ciclos necesaria para llevar cada elemento estructural a
mecanismos de fatiga.
En la Tabla 7.10, para los diferentes elementos estructurales y con base en los valores de c y
m asumidos, se obtienen los siguientes resultados:
Tabla 7.10 Numero de ciclos a la falla para los niveles de esfuerzo y para los detallados
aproximados para los diferentes elementos estructurales
Elemento
Estructural
Número de
ciclos
Diagonal de
Entrada 2,32E+07
Cordón inferior 2,07E+07
Viga transversal 3,76E+09
Arco 3,74E+08
Cordón superior 8,26E+08
Pendolón 5,05E+08
La cantidad de años de vida antes de presentarse mecanismos de fatiga, y la vida remanente
matemática se lista a continuación para cada elemento estructural estudiado a partir de la
fecha en que se construyó dicho puente que fue en él año de 1974 y con base en el detallado
estructural asumido:
Detalle No. m Log ( c ) c
10 2,88 9,57 3,7154E+09
Se escogió el detalle número 10 de la figura 5.26, ya que es el detallado estructural más
similar dentro de los ensayados por Ang and Munse que se parece al elemento estructural del
puente Quebrada Blanca.
Teniendo en cuenta las variables c y m, utilizando la ley de Miner se procede a calcular la
vida remanente a fatiga de los elementos estudiados, esto se refleja en la Tabla 7.11.
140
Tabla 7.11 Resultados del cálculo del número de años necesarios para generar
mecanismos de fatiga en los elementos estructurales.
7.7.4. Fatiga acompañada de corrosión
Los fenómenos de la corrosión bajo tensión se aceleran mucho debido a la concentración de
las tensiones en cada uno de estos medios siendo un factor de suma importancia los defectos
de fabricación que puedan existir en las piezas metálicas. El análisis estructural de cada
elemento que presente grietas debe concretarse a las condiciones reales de utilización, con el análisis exhaustivo de las cargas, las solicitaciones y las pérdidas de área útil por efecto de
la corrosión superficial.
De acuerdo al modelo de elementos finitos, se pretende alterar las secciones transversales
que están afectadas por corrosión, midiendo esta de forma visual, mediante un medidor de
espesor remanente de acero estructural cuyas especificaciones sobre el procedimiento y los
equipos se pueden verificar empleando la norma ASTM E797/E797M – 10, determinando el
área real debido a las pérdidas de área útil por efecto de la corrosión y comparándola con el
área de los planos estructurales y con base a esto determinar unos porcentajes de corrosión
que pueden ir del 5%, 10%, 20% hasta el 50% de corrosión.
Con lo anterior se construyó una gráfica de cada elemento o conexión que se estudió en la
sección anterior (ver figuras de la 7.107 a la 7.112) que este afectada por corrosión y poder
determinar su vida remanente de fatiga con corrosión de acuerdo a los diferentes porcentajes
de afectación (ver Tablas de la 7.12 a la 7.17)
Elemento
Estructural
VIDA
REMANENTE
ANTES DE
FATIGA (Años)
Diagonal 11,47 ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA
Cordón Inferior 10,75 ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA
Viga Transversal 53,60 INICIO PROBABLE DE PROCESOS DE FATIGA EN 12,60 AÑOS
Arco 33,40 ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA
Cordón Superior 40,30 ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA
Pendolón 36,01 ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA
RESULTADOS
141
Tabla 7.12 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural diagonal
de entrada.
Figura 7.109 Vida Remanente vs Corrosión Diagonal de entrada.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 11,47
5% 10,88
10% 10,26
15% 9,69
20% 9,02
25% 8,32
30% 7,64
35% 6,89
40% 6,12
45% 5,33
50% 4,55
Elemento Estructural
Diagonal de Entrada
0,00
5,00
10,00
15,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Diagonal Puente Quebrada Blanca
Datos
Lineal (Datos)
142
Tabla 7.13 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural cordón
inferior.
Figura 7.110 Vida Remanente vs Corrosión Cordón inferior.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 10,75
5% 10,29
10% 9,79
15% 9,27
20% 8,70
25% 8,18
30% 7,53
35% 6,89
40% 6,19
45% 5,51
50% 4,93
Cordón Inferior
Elemento Estructural
0,00
5,00
10,00
15,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Cordón inferior Puente Quebrada Blanca
Datos
Lineal (Datos)
143
Tabla 7.14 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural viga
transversal.
Figura 7.111 Vida Remanente vs Corrosión Viga transversal.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 53,60
5% 53,16
10% 52,71
15% 52,15
20% 51,66
25% 51,06
30% 50,45
35% 49,79
40% 49,01
45% 48,24
50% 47,33
Viga Transversal
Elemento Estructural
45,00
50,00
55,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Viga Transversal Puente Quebrada Blanca
Datos
Lineal (Datos)
144
Tabla 7.15 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural de arco.
Figura 7.112 Vida Remanente vs Corrosión en el Arco.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 33,40
5% 32,80
10% 32,25
15% 31,65
20% 31,07
25% 30,53
30% 30,05
35% 29,36
40% 28,46
45% 27,42
50% 26,05
Arco
Elemento Estructural
20,00
25,00
30,00
35,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Arco Puente Quebrada Blanca
Datos
Lineal (Datos)
145
Tabla 7.16 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural cordón
superior.
Figura 7.113 Vida Remanente vs Corrosión Cordón Superior.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 40,30
5% 40,30
10% 40,30
15% 40,30
20% 40,30
25% 40,25
30% 40,00
35% 39,38
40% 38,65
45% 37,29
50% 36,03
Cordón Superior
Elemento Estructural
35,00
40,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Cordón Superior Puente Quebrada Blanca
Datos
146
Tabla 7.17 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural pendolón.
Figura 7.114 Vida Remanente vs Corrosión Pendolón.
%
CORROSION
VIDA REMANENTE
ANTES DE FATIGA
(Años)
0% 36,01
5% 34,15
10% 32,21
15% 30,42
20% 28,32
25% 26,13
30% 23,99
35% 21,62
40% 19,20
45% 16,73
50% 14,30
Pendolón
Elemento Estructural
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
Vid
a R
eman
ente
(A
ños)
% Corrosión
Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión
Cordón Superior Puente Quebrada Blanca
Datos
147
7.8. Propiedades dinámicas del Puente de Quebrada Blanca
En esta sección se realiza un análisis modal que sirve para predecir el comportamiento
dinámico de la estructura del puente de Quebrada Blanca a través de un método teórico con
la ayuda del modelo de elementos finitos del puente modelado en SAP 2000.
Se determinan las propiedades dinámicas del puente tanto en su condición inicial como en
una condición donde se simula el incremento de la corrosión en los diferentes elementos del
puente en relación con el periodo natural T expresado en segundos, ya que este juega un
papel sumamente importante, siendo este parámetro función exclusivamente de la masa y de
la rigidez del sistema estructural del puente.
A continuación se muestran las propiedades dinámicas de varios elementos de la
superestructura del puente teniendo en cuenta que el incremento de la corrosión se hace no
en todo el elemento si no cercano a los nudos que es donde se nota más la presencia de la
corrosión como ya se ha visto en secciones anteriores.
En primera medida se tomó tanto del elemento estructural del cordón superior derecho como
del izquierdo, haciendo el respectivo incremento en la corrosión y anotando el periodo
natural debido a este como se denota en la Tabla 7.18 y en la figura 7.113.
Tabla 7.18 Propiedades dinámicas del elemento estructural cordón superior.
Elemento Estructural
Cordón Superior
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,15949
10% 1,15956
15% 1,15964
20% 1,15974
25% 1,15984
30% 1,15995
35% 1,16008
40% 1,16022
45% 1,16038
50% 1,16057
148
Figura 7.115 Propiedades dinámicas del cordón superior
Luego se evaluaron las propiedades dinámicas del cordón inferior en sus elementos derecho
e izquierdo, ver tabla 7.19 y figura 7.114.
Tabla 7.19 Propiedades dinámicas del elemento estructural cordón inferior.
Elemento Estructural
Cordón Inferior
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,16244
10% 1,16576
15% 1,16943
20% 1,17351
25% 1,17805
30% 1,18316
35% 1,18894
40% 1,19554
45% 1,20314
50% 1,21200
149
Figura 7.116 Propiedades dinámicas del cordón inferior
De igual forma se determina el periodo natural de la estructura teniendo en cuenta la
afectación por corrosión de las diagonales como se mencionó anteriormente haciendo esta
afectación en los nudos de las diagonales derechas como izquierdas, cuyos resultados se
reflejan en la Tabla 7.20 y su esquema en la figura 7.115.
Tabla 7.20 Propiedades dinámicas del elemento estructural diagonales.
Elemento Estructural
Diagonales
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,15976
10% 1,16015
15% 1,16057
20% 1,16105
25% 1,16159
30% 1,16220
35% 1,16290
40% 1,16372
45% 1,16467
50% 1,16579
150
Figura 7.117 Propiedades dinámicas de las diagonales
En la misma manera se determinan las propiedades dinámicas de la súper estructura del
puente cuando se ven afectadas solamente las diagonales por corrosión, las diagonales
estudiadas fueron derechas e izquierdas, dando como resultado lo expresado en la Tabla 7.21
con su respectivo diagrama en la figura 7.116.
Tabla 7.21 Propiedades dinámicas del elemento estructural vigas transversales.
Elemento Estructural
Vigas Transversales
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,15946
10% 1,15950
15% 1,15955
20% 1,15960
25% 1,15966
30% 1,15973
35% 1,15981
40% 1,15990
45% 1,16000
50% 1,16012
151
Figura 7.118 Propiedades dinámicas de las vigas transversales
Además en los elementos estructurales como los arcos y los pendolones tanto derechos como
izquierdos, se determinaron también sus propiedades dinámicas por separado, reflejando los
resultados en las Tablas 7.22 y 7.23, cuyos diagramas pertinentes se muestran en las figuras
7.117 y 7.118.
Tabla 7.22 Propiedades dinámicas del elemento estructural arcos.
Elemento Estructural
Arcos
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,159418
10% 1,159419
15% 1,159420
20% 1,159421
25% 1,159423
30% 1,159424
35% 1,159426
40% 1,159428
45% 1,159430
50% 1,159433
152
Figura 7.119 Propiedades dinámicas de los arcos
Tabla 7.23 Propiedades dinámicas del elemento estructural pendolones.
Elemento Estructural
Pendolones
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,159420
10% 1,159423
15% 1,159427
20% 1,159431
25% 1,159435
30% 1,159440
35% 1,159446
40% 1,159453
45% 1,159461
50% 1,159471
153
Figura 7.120 Propiedades dinámicas de los pendolones
Por último se pretendió analizar las propiedades dinámicas de la superestructura del puente
cuando el incremento de la corrosión está actuando en cada uno de los elementos
estructurales estudiados anteriormente y en el mismo instante, los resultados de esto se
muestran en la Tabla 7.24, cuya grafica se ve en la figura 7.119.
Tabla 7.24 Propiedades dinámicas de la combinación de varios elementos
estructurales.
Elemento Estructural
Combinación de Elementos
% Corrosión T = Periodo (s)
0% 1,159417
5% 1,16290
10% 1,16672
15% 1,17094
20% 1,17561
25% 1,17893
30% 1,18492
35% 1,19121
40% 1,20085
45% 1,20953
50% 1,21963
154
Figura 7.121 Propiedades dinámicas de la combinación de los elementos estructurales
155
Análisis de resultados al aplicar la metodología propuesta del puente de
Quebrada Blanca.
Se realizó la validación de esta metodología, usando datos de un puente de la red vial nacional
el puente de Quebrada Blanca. Para ello se realizó un levantamiento planimétrico y después
estructural donde se utilizaron herramientas topográficas entre otras y una medición de
espesores remanentes de acero estructural donde se aplicó la norma ASTM E797 / E797M –
10. Para lo anterior se utilizaron aproximadamente dos (2) meses para generar el modelo de
elementos finitos en SAP 2000 con el grado de discretización necesaria.
De la inspección visual, se determinó daño de varios elementos estructurales del puente como
corrosión y deformaciones locales, gracias a los ensayos de tintas penetrantes realizadas con
base a las normas ASTM E165/E165M – 12 se estableció que en las soldaduras
inspeccionadas, la gran mayoría presentan discontinuidad como socavado, garganta
insuficiente y pierna insuficiente, cuyos criterios de aceptabilidad o de rechazo, fueron
tomados de AASHTO/AWS D1.5. 2010, de acuerdo al numeral 3.6, Figura 3.3, Capitulo 6 y
Anexo J.
De acuerdo a los resultados obtenidos de la tabla 7.11 (cálculo del número de años necesarios
para generar mecanismos de fatiga en los elementos estructurales del puente de Quebrada
Blanca) en los cuales se efectuó la validación de la metodología propuesta, se determinó que
los elementos de la diagonal de entrada, cordón Inferior, cordón superior y en el pendolón
tienen una alta probabilidad de que haya iniciado proceso de fatiga. Esto es una alerta que
nos indica un nivel teórico de daño de la estructura que sugiere realizar una inspección
adicional y posible reforzamiento. Aunque en el elemento de la viga transversal, no ha
iniciado el proceso de fatiga teóricamente, sería necesario de acuerdo al nivel de daño y en
un tiempo prudente realizar una nueva inspección visual para determinar daños.
Analizando la vida remanente de los mismos elementos estudiados anteriormente, pero esta
vez con varios niveles asumidos de corrosión (en porcentaje) se determinó la vida remanente
a fatiga. Se concluye que dicho proceso afecta la vida a fatiga de una manera no lineal en la
mayoría de los casos. Los resultados de dicha simulación para la diagonal de entrada, el
cordón inferior y la viga transversal a partir del 25% de corrosión de los elementos
estructurales, la vida remanente desciende rápidamente; en el elemento de arco este descenso
es muy lento. En el cordón superior se ve algo interesante: entre el 0% y el 20% de corrosión
hay un comportamiento lineal como si la corrosión no afectara la vida a fatiga, del 25% al
35% el descenso es paulatino y después del 35% la pendiente cambia sustancialmente n
donde el efecto de la corrosión es importante. En el elemento del pendolón el comportamiento
es también interesante: la gráfica tiene dos puntos de inflexión del 0% al 15% hay un
descenso rápido de la vida remanente pero del 15% al 30% este es paulatino mientras que
después del 30% el descenso es rápido. El comportamiento de cada uno de los elementos es
muy diferente y depende de su localización dentro de la estructura y su grado de importancia
dentro de la misma, aunque es lógico que la distribución de esfuerzos aumenta cuando
aumenta el nivel de la corrosión de una forma significativa.
En la realización del análisis modal que sirvió para predecir el comportamiento dinámico de
la estructura del puente de Quebrada Blanca, con la ayuda del modelo de elementos finitos
156
del puente modelado en SAP 2000, determinando las propiedades dinámicas del puente tanto
en su condición inicial como en una condición donde se simula el incremento de la corrosión
del 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 45% y 50% en los diferentes elementos
tanto derechos como izquierdos de la superestructura del puente en relación con el periodo
natural T, jugando este un papel sumamente importante, siendo este parámetro función
exclusivamente de la masa y de la rigidez del sistema estructural del puente.
Analizando las propiedades dinámicas del puente en su condición inicial se obtiene un
periodo natural T= 1.159417 segundos, a partir de allí se empiezan a analizar de forma
individual elementos tales como los cordones superiores con un incremento muy lento con
el 5% de afectación de la corrosión en un periodo T=1.15949 s a T= 1.16057 s con el 50%
de afectación. De una manera similar pasa con las vigas transversales, el periodo se
incrementa lentamente de un 5% de afectación en T=1.15946 s a T=1.16012 s con el 50% de
afectación, con los elementos de arco de la superestructura el incremento del periodo mucho
más lento el cual va de una afectación de un 5% de T=1.159418 s a T=1.159433 s en el 50%
de afectación, algo parecido ocurre con los pendolones de un 5% de afectación con un
T=1.159420 s a T=1.159471 s con afectación del 50% de corrosión. En las diagonales ya se
ve un incremento paulatino pero mucho mayor que en los elementos anteriores en un 5% de
afectación con T=1.15976 s a T=1.16579 s con el 50% de afectación. En el análisis de los
cordones inferiores se observa un incremento importante y rápido con 5% de afectación el
periodo T=1.16244 s a T=1.21200 s. Teniendo en cuenta que todos los elementos de la
superestructura presentan síntomas de corrosión se muestra que el periodo natural de la
estructura crece de manera importante a medida que se ve afectada la estructura en sus
componentes de un periodo T=1.16209 s a T=1.21963 s del 5% al 50% de afectación de cada
uno de sus elementos estructurales.
Como se describió anteriormente el comportamiento de cada uno de los elementos es muy
diferente y depende de su localización dentro de la estructura y su grado de importancia
dentro de la misma, aunque es usual que el periodo natural de la estructura T tiene que crecer
en algunos elementos más que en otros y mucho más cuando la afectación de la estructura
no es de forma individual sino que se presenta en cada uno de los elementos de la
superestructura del puente aumentando este periodo natural a medida que aumenta el nivel
de la corrosión de una forma significativa.
157
Conclusiones
En Estados Unidos se ha desarrollado un manual para ayudar a la ingeniería de puentes,
mediante el establecimiento de procedimientos de inspección y las prácticas de evaluación
que cumplan con las Normas Nacionales de Inspección de Puentes (NBIS), este manual es el
Manual for Bridge Evaluation, 2nd Edition. 2011, AASHTO, con enfoque en la Sección 7
“Fatigue Evaluation of Steel Bridges”, manual que se ha tenido en cuenta en el desarrollo de
esta metodología. El manual se ha dividido en ocho secciones, cada sección representa una
fase distinta de una inspección general del puente y el programa de evaluación. En este
manual sustituye a los Manuales de Evaluación de condiciones de AASHTO 1998 para
Puentes de la AASHTO 2003 y el Manual Guía para la Evaluación de condiciones y la carga
y régimen de factor de resistencia (LRFR) de los puentes de las autopistas. También
reemplaza el Manual de Evaluación para el puente, primera edición con interinos. Sirve como
una norma única para la evaluación de los puentes de las autopistas de todo tipo. Para la
aplicación de la metodología de Europa se hace necesario la utilización del Eurocódigo 3:
Proyecto de estructuras de acero. Parte 1-9: Fatiga (2013), para la estimación de la vida
restante a fatiga de los elementos del puente.
La metodología estudiada en el presente documento, permite la evaluación de las acciones
necesarias para determinar una aproximación al cálculo de la viga remanente a fatiga,
teniendo en cuenta la normativa aplicada y vigente para la inspección visual, estudio de
materiales y conteo de tránsito.
La metodología sugiere una manera de simular el daño por corrosión al material base de los
elementos principales de un puente de acero y permite observar el daño detrimental de la
ocurrencia de ambos fenómenos fatiga y corrosión.
Adicionalmente, la metodología permite establecer varias maneras de determinar la vida en
fatiga de un puente de acero en arco, dependiendo de los presupuestos disponibles (grados
diferentes de investigación de la calidad del material, de la naturaleza del tránsito y cargas
en la estructura), y del tipo de metodología de diseño estructural usada: AASHTO LRFD
2012, AASHTO MBE 2011 o Eurocódigo-3 2013.
La metodología presentada en la presente investigación tiene una gran importancia ya que en
Colombia, no existe una metodología para la evaluación de fatiga de puentes existentes de
acero y permitiría con base en un conjunto de actividades determinar la vida remanente a
fatiga, ayudando en un proceso de toma de decisiones de priorización, que podría sugerir
reforzamiento del puente o determinar las reparaciones.
La metodología de evaluación de fatiga en puentes de acero existentes utilizando un modelo
de elementos finitos es una herramienta útil ya que en este se introducen las cargas reales
obtenidas de las estaciones de pesaje y el estudio se puede complementar con simulación
158
numérica de Montecarlo, para obtener los rangos de esfuerzos necesarios para determinar la
vida remanente de fatiga.
De los resultados de la simulación se concluye que el efecto de la corrosión es detrimental
para la vida remanente a fatiga de los elementos de un puente de acero.
Con base en la simulación numérica se observa que el comportamiento de cada uno de los
elementos es muy diferente y depende de su localización dentro de la estructura y su grado
de importancia dentro de la misma, aunque es usual que el periodo natural de la estructura T
tiene que crecer en algunos elementos más que en otros y mucho más cuando la afectación
de la estructura no es de forma individual sino que se presenta en cada uno de los elementos
de la superestructura del puente aumentando este periodo natural a medida que aumenta el
nivel de la corrosión de una forma significativa.
La corrosión bajo tensión acelera la perdida de vida en fatiga, debido a la concentración de
las tensiones en cada uno de estos elementos, esto puede acelerar la pérdida de capacidad si
existen defectos de fabricación.
Partes y miembros de un puente que estén corroídas y que hayan estado en servicio por un
largo periodo de tiempo pueden tener probabilidades altas de perdida de vida a fatiga por este
efecto.
Los componentes en donde se generan lo mayores daños de corrosión, son los apoyos y los
elementos de arriostramiento, debido a que son zonas de difícil evacuación de humedad. Es
por esto que la metodología sugiere el uso de estándares de evaluación del daño por
corrosión, para cuantificar el posible daño en dichas áreas.
Las fallas predominantes observadas en el puente son el daño estructural por impacto y los
asentamientos en los terraplenes de acceso, a la vez las juntas de dilatación cuyos daños más
frecuentes son el impacto, la infiltración y la deficiencia estructural.
En los apoyos se observan fallas por la falta de dispositivos en las juntas de dilatación para
controlar el agua en el tablero. En las losas se observan daños por la infiltración ya que no
se tiene drenes.
Adicionalmente se determinó con base en los registros de conteo de tránsito que el Puente de
Quebrada Blanca está siendo usado por vehículos pesados, y éste cuenta con restricción de
la circulación vehicular a un solo vehículo pesado con una carga máxima de 50 toneladas
mediante resolución No. 02425 del 20 de Abril del año 2010 del Ministerio de Transporte.
La anterior situación no está siendo controlada por la Policía de Carreteras lo cual aumenta
el riesgo de colapso del puente en mención, debido a mayores ciclos de carga que disminuyen
la vida a fatiga.
Con los ejemplos de los escenarios probables en Colombia y en Europa de la aplicación de
la metodología se pudo determinar la capacidad de solución general de la propuesta. Donde
con diferentes escenarios, calidad y cantidad de información, la metodología puede sugerir
159
una vida remanente de fatiga aproximada que se usará en las actividades de prioritizacion del
mantenimiento de puentes en arco.
160
Recomendaciones
Adicional a un estudio de vida remanente se sugiere evaluar la capacidad máxima de carga
del puente, ante cargas estáticas.
Garantizar un correcto diseño de detalles que minimice el riesgo de corrosión de la estructura
metálica, al mismo tiempo facilitar la inspección, mantenimiento y de ser el caso la
sustitución de ciertos elementos como apoyos, juntas, cables, anclajes, etc.
Los tableros deben ser adecuadamente impermeabilizados para evitar la entrada de agua en
la estructura.
El sistema de drenaje debe ser en función de la superficie de plataforma y del volumen a
evacuar, dependiendo de la pendiente del tablero y sistemas de desagüe.
En secciones cerradas y no visitables, se debe garantizar su completo sellado, mediante
soldaduras u otro sistema, protegiendo la parte interna de eventuales filtraciones de agua.
Un principio básico para la consecución de una estructura durable consiste en lograr, en la
medida de lo posible, el máximo aislamiento respecto al agua. Por ello, todas las medidas
que promuevan una evacuación rápida del agua, de manera que esté en contacto con la
estructura lo mínimo posible, redundan en su durabilidad.
Es recomendable minimizar la extensión de las superficies de acero expuesta a la corrosión,
reduciendo el número de irregularidades (superposiciones, bordes, esquinas), y disponiendo
soldaduras continuas, en general (deberían emplearse soldaduras discontinuas y por puntos
únicamente en caso de riesgo insignificante de corrosión).
Algunas de las reparaciones recomendadas son el refuerzo de la losa (sobre losa o utilización
de materiales compuestos, como fibras de acero de alta resistencia y otros) o la reparación
del concreto y mantenimiento general, la inyección de grietas, construcción o reparación de
drenes (prolongación, limpieza, etc.)
La limpieza y pintura de la estructura, el remplazo de pernos, remaches y abrazaderas
defectuosas, reparación de los componentes de acero y la reposición de elementos faltantes.
Revisar el comportamiento sismo resistente y verificar los problemas de socavación en las
pilas, al igual que la evaluación de la capacidad máxima de carga del puente, en los casos
que haya lugar.
Se sugiere el uso de Polímeros Reforzados con Fibra de Carbón (CFRP) como material para
ayuda en el reforzamiento de puentes.
Para posteriores investigaciones de evaluación de fatiga, es necesario realizar una
instrumentación más completa del puente, para obtener registros de esfuerzos vs ciclos de
carga en tiempo real y ser comparados con los resultados en los mismos elementos que se
han medido con ensayos de fatiga.
161
También se sugiere la obtención de la curva S-N para el metal base de las conexiones y
elementos principales de los puentes.
162
Anexos
1. Metodología de evaluación de fatiga de puentes existentes en arco.
2. Descripción de la aplicación de la metodología propuesta Puente del Sisga
(Cundinamarca).
3. Descripción de la aplicación de la metodología propuesta Puente de Istmina
(Choco).
4. Descripción de la aplicación de la metodología propuesta Puente Forsmo sobre el
rio Aangermann (Forsmo Järnvägsbron en Suecia).
5. Descripción de la aplicación de la metodología propuesta Puente sobre el rio Vindel
hacia Holmforsen en Rödåsel Suecia.
6. Descripción de la aplicación de la metodología propuesta Puente Quebrada Blanca
(Cundinamarca).
7. Ensayo de medición de espesor remanente de acero estructural, Norma ASTM E797
/ E797M - 10
8. Ensayo de medición de espesor de pintura, Norma ASTM D7091 – 13.
9. Ensayo de especificación estándar para pernos estructurales, Norma ASTM A325 –
14. 10. Ensayo de tintas penetrantes, Norma ASTM E165/E165M − 12 o AWS D.1.1.
11. Ensayo de partículas magnéticas, Normas ASTM E709 − 14 o AWS D.1.1
12. Ensayos de radiografía, Normas ASTM E1030 - 05 (revisada en 2011)
13. Ensayo de ultrasonido, Normas ASTM E164 − 13 o AWS D.1.1.
14. Ensayo de fatiga, Norma ASTM E606/E606M - 12
15. Ensayo de resistencia a la tensión, Norma ASTM E8/E8M - 13a
16. Ensayo de contenido químico, Norma ASTM E350 - 12
17. Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del acero, Norma
ASTM A588/A588M - 10
163
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