Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ALGUNAS ... · PDF filepuente en arco...

1

Sociedad Mexicana de Ingeniería EstructuralSociedad Mexicana de Ingeniería Estructural

ALGUNAS DEFICIENCIAS DE PUENTES SÍSMICAMENTE VULNERABLES

Manuel Jara Díaz 1, José de Jesus Álvarez Sereno 2 y José Manuel Jara Guerrero3

RESUMEN En este trabajo se identifican y analizan las principales deficiencias sísmicas de los puentes que se construyen en México. Para ello se recabó la información sobre las principales características que tienen influencia en la respuesta sísmica de estas estructuras para identificar tipologías asociadas al comportamiento sísmico esperado y se estudiaron los daños sísmicos que típicamente se han observado en los sismos destructivos que han ocurrido en los últimos años en el mundo.

ABSTRACT A study aimed at identifying the most important seismic deficiencies of bridges built in Mexico is presented. Data compilation of existent bridges in Mexico, with special emphasis on the main variables related to the seismic response, towards the classification of structures is developed and the typical seismic damages of bridges ocurred in different places of the world in last years are discussed.

INTRODUCCIÓN La actividad sísmica de las últimas décadas ha puesto de manifiesto la vulnerabilidad de los puentes ante este fenómeno, y ha dejado constancia de los grandes costos derivados de las fallas que se producen en los mismos. Sismos como los de San Fernando (1971), Tangshan (1976), Loma Prieta (1989), Northridge (1994), Kobe (1995) y Taiwán (1999), entre otros, han provocado daños de importancia en los sistemas de transporte, y han incrementado las pérdidas económicas de forma notable. A partir del análisis sobre los efectos que han producido los sismos sobre los puentes, resulta evidente el fuerte impacto económico derivado de los daños en este tipo de estructuras. En algunos casos, la ocurrencia del sismo en horas de poco movimiento de personas y vehículos evitó que el número de pérdidas humanas creciera en forma significativa. Es importante recalcar que, además de los costos directos que se requieren para rehabilitar las estructuras dañadas, la interrupción del tránsito en los puentes afectados impide la rápida movilización de personas y materiales, dificultando las acciones de emergencia que se desarrollan en los días posteriores al terremoto. Si la estructura requiere de varias semanas o incluso meses para su rehabilitación, los costos indirectos generados por la obstrucción del tránsito pueden encarecer las pérdidas en forma dramática. Todos estos hechos han obligado a los profesionales e instituciones responsables de la seguridad de este tipo de estructuras a revisar los procedimientos de diseño y construcción de puentes localizados en zonas sísmicas, con el propósito de evitar no solamente el derrumbe de los puentes, sino procurar que los daños potenciales durante un temblor, no conduzcan al cierre temporal de la vía de comunicación de la cual forma parte. Esta preocupación se extiende no sólo a los proyectos de puentes nuevos, sino también a los proyectos de

1 Profesor Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ana Ma. Gallaga 983-12, Col. Centro,

58000, Morelia, Mich., Teléfono, (443) 322-3500 ext 4336; [email protected] 2 Profesor Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ana Ma. Gallaga 983-12, Col. Centro,

58000, Morelia, Mich., Teléfono, (443) 322-3500 ext 4347; [email protected] 3 Profesor Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, Ana Ma. Gallaga 983-12, Col. Centro,

58000, Morelia, Mich., Teléfono, (443) 322-3500 ext 4338; [email protected]

XV Congreso Nacional de Ingeniería Estructural Puerto Vallarta, Jalisco, 2006

2

rehabilitación de los puentes existentes, muchos de los cuales no cumplen con los criterios de seguridad que se recomiendan en las normas vigentes. Con base en los comentarios anteriores y en la intensa actividad sísmica en la República Mexicana, que afecta seriamente a una buena parte del territorio nacional, se confirma la urgente necesidad de revisar las condiciones de vulnerabilidad en la que se encuentra el sistema carretero del país. Si además se tiene en cuenta que el 70% de la población actual de puentes en México fueron construidos antes de 1970, se espera que muchos de ellos no fueran proyectados ni construidos de acuerdo con los criterios de diseño sísmico vigentes. Este trabajo forma parte del proyecto “Desarrollo de un procedimiento para reducir la vulnerabilidad sísmica de puentes en México”, financiado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, que actualmente lleva a cabo la planta académica de la Maestría en Estructuras de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

PROBLEMAS DE ESTRUCTURACIÓN Para identificar las deficiencias estructurales de los puentes que se construyen en México y definir los parámetros que tienen mayor influencia en su capacidad sísmica, se recabó y analizó información proveniente de distintas fuentes. En primer lugar, se estudiaron las causas más frecuentes de los daños experimentados por este tipo de estructuras cuando han sido sometidas a sismos de gran magnitud. Posteriormente, se recopiló información sobre los tipos y características de las estructuras existentes, proveniente de planos de proyectos tipo, visitas de inspección y levantamientos físicos de algunos puentes. En paralelo, se recabaron datos provenientes de los reportes de inspección de puentes (SIPUMEX) que realiza la SCT, se clasificaron las características de las estructuras, su estado de conservación y los principales daños que han sufrido. Finalmente, se analizaron las principales deficiencias que se observan en los puentes mexicanos y se establecen recomendaciones conceptuales para reducir la vulnerabilidad sísmica de este tipo de estructuras. A continuación se describe con mayor detalle cada uno de estos aspectos. IDENTIFICACIÓN DE DAÑOS SÍSMICOS

Como primera etapa de la clasificación e identificación de los principales problemas de estructuración de puentes ubicados en zonas sísmicas, se estudian las causas que han sido atribuidas a los daños observados en estructuras existentes. A continuación se describen algunas características de los daños y pérdidas ocasionadas por los puentes afectados durante los últimos temblores destructivos ocurridos en el mundo, con base en la información proveniente de: EQE (1989, 1994 y 1995), Cooper y Buckle (1995), NCEER (1995), Ghasemi et al. (1996), Priestley et al. (1996), Gómez y Galindo (1997), Nakata et al. (1999), Uang et al. (1999), DesRoches (2000), Gómez et al. (2000), Kawashima (2000), Maldonado (2000), Jara y Casas (2002), Alcocer, et al. (2003), Mohele y Eberhard (2003), Pestana et al. (2002), Roussis et al. (2003), Hsu y Fu (2004) y Fujino et al. (2005). Colapso de la superestructura Generalmente los elementos críticos de puentes estándar para las acciones de tipo sísmico son los elementos de la subestructura. Sin embargo, la superestructura de un puente también puede tener daños o incluso llegar a colapsarse. Los problemas más importantes que se presentan en las calzadas de circulación de puentes se deben principalmente a la pérdida de asiento de la superestructura sobre los cabezales de las pilas y/o estribos. En repetidos casos este tipo de falla ha sido asociado a una configuración estructural diferente entre tramos contiguos de un puente. Los cambios bruscos de rigidez que suelen presentarse entre la estructura de los accesos y la del tramo principal del puente, dan origen a movimientos fuera de fase que han provocado desplazamientos relativos de consideración. Estos movimientos fuera de fase generan fuerzas cortantes en los pernos y tornillos de sujeción de los apoyos y, en muchos casos, a la pérdida de la longitud de asiento.

3


Un ejemplo de la pérdida de apoyo de la calzada de circulación se presentó en la parte este del puente de la bahía de San Francisco-Oakland, donde fallaron los tableros superior e inferior de un claro simplemente apoyado de 15 metros de longitud, que conectaba dos tramos del puente con dos configuraciones estructurales distintas (ver figura 1). Durante el sismo se presentaron oscilaciones longitudinales entre los dos tramos del puente que provocaron la falla de los pernos de la conexión y la pérdida de la longitud de asiento de las vigas, además de un desplazamiento permanente en la pila de 14 cm hacia el este. Otro ejemplo de este tipo de falla ocurrió durante el sismo de Hyogo-Ken Nanbu (Mw= 7.4) ocurrido en Japón en 1995. El acceso al puente en arco Nishinomiya, de 252 metros de longitud, se derrumbó, aparentemente, a causa de los excesivos desplazamientos longitudinales entre el acceso y el tramo principal del puente soportado por un arco (ver figura 2). Gracias a que el sismo se originó muy temprano, el derrumbe de este puente sólo provocó la muerte de dos personas. La vía de seis carriles quedó inutilizada durante unas semanas hasta que el daño fue reparado. Además del tramo de acceso, uno de los cables que soportan el tablero del puente en arco experimentó deformaciones permanentes. Es importante hacer notar que el puente se había construido sólo tres años antes de la ocurrencia del sismo. El daño a esta moderna vía rápida, conduce a la necesidad de una revisión profunda de los criterios de diseño sísmico y a una valoración de las prácticas de diseño y construcción de los puentes nuevos, además de la evaluación de la seguridad de las estructuras existentes. Ésta fue la primera prueba real de un sismo en puentes largos modernos y los resultados no fueron muy alentadores.

Figura 1 Colapso de una sección de la superestructura del Puente de la Bahía Oakland-San Francisco durante el sismo de Loma Prieta en 1989 (Nakata et al., 1999)


4

Figura 2 Derrumbe del acceso al Puente Nishinomiya-ko sobre la vía rápida de Wangan (NCEER, 1995) La pérdida del apoyo también se produce en puentes en curva y puentes esviajados, debido a las rotaciones y traslaciones relativas entre la superestructura y los cabezales de pilas y estribos. En la figura 3 se muestra el caso de un puente vehicular con esviajamiento, localizado en la carretera Puebla – Tehuacán, km 135+000, que sufrió desplazamientos importantes que provocaron daños en los topes laterales durante el sismo ocurrido el 15 de junio de 1999 en Tehuacán, Puebla (Mw = 7.0). Los puentes esviajados experimentan mayores desplazamientos que los que se presentan en puentes rectos, debido a que la superestructura tiende a rotar y a desplazarse transversalmente hacia afuera de las pilas en la zona de la losa donde se forman los ángulos agudos (Priestley, et al, 1996). Como se observa en la figura 4, es en esta región donde se dañaron los topes laterales. El desplazamiento lateral y longitudinal de la superestructura con respecto a las pilas fue de 15 cm aproximadamente (Pestana et al, 2002). Los caballetes también sufrieron algunos agrietamientos por tensión diagonal.

Figura 3 Daños en topes laterales ubicados en las esquinas que forman el ángulo agudo de un puente esviajado (Pestana et al, 2002)

Es evidente que la caída de la superestructura también esta asociada a una longitud de apoyo insuficiente, a la falta de resistencia lateral de los elementos de sujeción de los apoyos, y a la falta de topes laterales y dispositivos de restricción del movimiento. La falla de los elementos de sujeción de los apoyos aunado a la ausencia de topes laterales, permite que la superestructura del puente tenga desplazamientos transversales importantes que conduzcan incluso al colapso de la superestructura. En la figura 4 se muestra un puente en curva sin apoyos laterales que está próximo a derrumbarse después de la falla de los apoyos.

Figura 4 Desplazamiento transversal de la superestructura de un puente en curva debido a la falla de los apoyos y a la ausencia de topes sísmicos (Cooper y Buckle, 1995)

5


En los puentes mexicanos construidos antes de 1980 no se tenía especial precaución por colocar elementos de restricción lateral, sin embargo, en los puentes nuevos y en aquellos que se han rehabilitado en los últimos años, se han empleado topes sísmicos con mayor frecuencia. Sin embargo, la ausencia de especificaciones particulares para el diseño de estos elementos en las normas de diseño de puentes, así como la falta de experiencias previas de los ingenieros encargados del proyecto de puentes, se han generado fallas en los topes laterales durante sismos de magnitud intermedia, como resultado de una distribución incorrecta del acero de refuerzo, de la falta de anclaje de las varillas destinadas a resistir cortante y flexión, y de una baja resistencia lateral del tope. A pesar de lo anterior, cabe destacar que la presencia de los topes sísmicos en los puentes afectados, contribuyó a la disipación de la energía sísmica de entrada y evitó la potencial caída de la superestructura. Algunos ejemplos de puentes en los que se produjeron fallas de los topes laterales se muestran en las figuras siguientes. El Puente Coahuayana, ubicado en el kilómetro 239 de la carretera Playa Azul-Manzanillo, está formado por varios tramos de losa simplemente apoyados sobre dos nervaduras de concreto y pilas tipo diafragma de concreto reforzado. La superestructura y subestructura del puente fueron rehabilitadas en años recientes. Para el refuerzo se emplearon cables de presfuerzo colocados por el exterior, se incrementó la sección transversal en lo extremos de las pilas y se encamisaron con concreto reforzado a lo largo de toda la sección transversal. La cimentación fue reparada y se agregaron topes laterales en los cabezales de las pilas (ver figura 5). Después de su rehabilitación, el puente tuvo diversos daños como consecuencia del sismo de octubre de 1995. Los daños consistieron en el asentamiento de los accesos, agrietamientos en los cabezales de los estribos, agrietamientos en las pilas y daños severos en los topes sísmicos. La falla en los topes se atribuye a una mala distribución e insuficiencia del refuerzo para resistir la fuerza lateral de inercia de la superestructura. Después del evento sísmico algunos tramos de la superestructura quedaron desplazadas transversalmente 10 cm.

Figura 5 Daño severo en los topes laterales del puente Coahuayana producidos durante el sismo de Manzanillo de 1995 (Gómez y Galindo, 1997)

Otro caso de daño en los topes laterales se produjo en el puente Manzanillo, ubicado en la carretera Colima – Manzanillo, durante el sismo ocurrido el 21 de enero de 2003 en Tecomán (Mw = 7.6). El puente está constituido por varios claros simplemente apoyados, soportados por varias trabes tipo AASHTO. Las pilas forman un marco con cinco columnas circulares unidas a un cabezal de sección rectangular. En la figura 6 se observa el desplazamiento lateral que experimentó la superestructura y el daño en los topes sísmicos. Es evidente que las dimensiones del tope transversal son insuficientes para soportar las fuerzas de inercia provenientes de la masa de la superestructura. En este caso también se encontró una deficiente distribución del acero de refuerzo en el tope. Además de la falla del tope, se observaron desplazamientos relativos de las pilas con respecto al terreno de cimentación. Golpeteo en las juntas de expansión También se han observado daños en las calzadas de los puentes debidos al golpeteo entre los extremos de los tableros de dos tramos adyacentes. En tableros esviajados se produce una rotación relativa con respecto a los


6

accesos, esta situación da origen al golpeteo en una de las esquinas de los tableros y a una separación del tablero, que puede llevar a una pérdida de asiento, en la esquina opuesta (Priestley, et al 1996). A pesar de los problemas originados en los tableros y en las juntas de expansión, los daños provocados por el golpeteo de tableros vecinos de la superestructura generalmente no son de importancia y sirven como una fuente de disipación de la energía sísmica de entrada.

Figura 6 Desplazamiento transversal de la superestructura y daños en topes laterales del puente Manzanillo (Alcocer et al, 2003)

Puentes emplazados cerca de fallas activas Se han observado experiencias desastrosas en puentes ubicados en las cercanías de una falla activa. Los grandes desplazamientos del terreno que se presentan directamente en la zona que cruza la falla, han llevado al colapso a varios puentes. Por otro lado, los registros sísmicos cercanos a las fallas muestran componentes verticales de consideración y pulsos de velocidad elevados que afectan especialmente a estructuras de periodos intermedios. Los pocos ciclos de oscilación que se producen cerca de la falla, impiden la disipación de energía en dispositivos aisladores y/o disipadores de energía histeréticos. Como muestra de este tipo de problemas, se presenta el caso de dos puentes paralelos de concreto reforzado sobre el río Wu en Taiwán. Los puentes resultaron severamente dañados en el extremo norte, zona por la que se detectó el paso de la falla, con una dirección inclinada con respecto al eje longitudinal del puente. El desplazamiento del terreno ocasionó un movimiento relativo entre los tramos, que originó el desplome de dos claros del puente (ver figura 7). Las pilas, que contaban con escaso refuerzo longitudinal y transversal, fallaron por cortante, conforme con la dirección del desplazamiento de la falla (ver figura 7).

7


Figura 7 Vista general del puente sobre el río Wu. La falla cruzó el puente y provocó el desplome dos tramos de superestructura (http://nisee.berkeley.edu/taiwan/mahin/day02/day02.html)

El 12 de noviembre de 1999, un terremoto con magnitud de momento de 7.2 sacudió el centro-norte de Turquía. El Viaducto Bolu 1, que contaba con un sistema de aislamiento sísmico y que estaba en construcción al momento del sismo, sufrió daño considerable (Roussis et al., 2003). El viaducto tiene una longitud de 2.3 km y cuenta con 59 claros gemelos apoyados en 58 pilas, como se muestra en la figura 8. La superestructura consta de siete trabes presforzadas de sección cajón simplemente apoyadas sobre apoyos tipo pot con superficies deslizantes. La losa es continua sobre las pilas para formar superestructuras continuas de 10 claros. El viaducto incorpora un sistema de dispositivos de acero que disipan energía mediante su fluencia, instalados en el cabezal de cada pila, para formar, junto con los apoyos deslizantes, un sistema de aislamiento sísmico.

Figura 8 Vista general del Viaducto Bolu 1 y del desplazamiento residual de la superestructura después del sismo (Roussis et al., 2003)

Los dispositivos metálicos están formados por un anillo interior y un exterior interconectados por 16 elementos de acero en forma de “C” en una configuración radial. Los anillos interior y exterior se conectan a la subestructura y a la superestructura, respectivamente. Cuando la superestructura se mueve con relación a la subestructura los elementos C se deforman, fluyen y disipan energía. Más aún, se incorporaron conectores sísmicos (shock transmission devices) entre los disipadores de acero y la subestructura en la dirección longitudinal del viaducto. Este sistema permite el libre movimiento longitudinal de la superestructura respecto a la subestructura debido a contracción, flujo plástico y variaciones de temperatura, y conecta ambos componentes del puente bajo movimientos dinámicos para hacer trabajar los disipadores metálicos. Además se usaron cables restrictores en las juntas de expansión para prevenir la caída de la superestructura durante la ocurrencia de sismos extraordinarios. El viaducto se vio sometido a un movimiento de fuente cercana caracterizado por grandes pulsos de velocidad y deformaciones permanentes del terreno. Como consecuencia, la superestructura del viaducto sufrió grandes desplazamientos permanentes respecto a las pilas, quedando los extremos de las trabes separados de sus apoyos del orden de 100 cm en dirección longitudinal y 50 cm en dirección transversal (Roussis, 2003). Los 1,638 apoyos deslizantes de 819 trabes fallaron completamente, se encontraron con sus partes dislocadas, fuera de su sitio. La figura 8 muestra una vista de las conexiones falladas de los disipadores metálicos en una junta de expansión. Afortunadamente las trabes contaron con suficiente longitud de asiento en los cabezales de las pilas y con cables restrictores en las juntas, lo que impidió la caída de la superestructura. Hundimiento de estribos En sismos recientes se ha observado el asentamiento del relleno y la rotación del estribo en suelos blandos y rellenos mal compactados, (Priestley et al., 1996; Mohele y Eberhard, 2003; Hsu y Fu, 2004). Cuando se generan desplazamientos longitudinales de consideración, la presión del suelo sobre el estribo se incrementa debido a las aceleraciones sísmicas. El eventual impacto de la superestructura con el estribo puede generar


8

altas presiones pasivas en el terreno por debajo del punto de contacto entre la superestructura y el estribo. Los rellenos mal compactados tienden a asentarse hacia el interior del puente, empujando la parte inferior del estribo junto con el suelo en movimiento, mientras que en la parte superior del estribo el contacto con la superestructura limita el movimiento del estribo hacia el interior del puente, lo que trae como consecuencia la rotación del estribo. Las consecuencias típicas son daño en el muro de respaldo del estribo debido al impacto de la superestructura, daño al sistema de pilas (si existen), y si las rotaciones del estribo son grandes el desplome en el propio estribo, que pueden llevar incluso al colapso del puente. En la figura 9 se muestra el estribo del puente sobre el río Bananitos que resultó afectado por el sismo de Costa Rica de 1991. Se trata de un puente de tres claros simplemente apoyados, que experimentó un fuerte asentamiento (1m aproximadamente) y una rotación de 9° en uno de los estribos, lo que generó un desplazamiento lateral de los extremos superiores de las pilas de aproximadamente 66 cm, y daños por flexión y cortante.

Figura 9 Asentamiento y rotación del estribo del puente Río Bananito durante el sismo de 1991 en Costa Rica (Priestley et al, 1996)

Fallas en pilas En general, en puentes de claros medios y cortos, en los que la superestructura trabaja por flexión de los elementos de soporte, la subestructura es considerada la parte más vulnerable de un puente. Debido a ello, las pilas son los elementos del sistema en los que se espera que se disipe la mayor parte de la energía sísmica de entrada. No obstante, las pilas de los puentes diseñados antes de 1980, no fueron proyectadas específicamente para desarrollar niveles de desplazamiento inelástico en las zonas potenciales de formación de las articulaciones plásticas. Más aún, en dichas zonas, ubicadas normalmente en las bases de las columnas o en la unión con el cabezal, los detalles de armado reducían la ya de por sí escasa capacidad de rotación. Así por ejemplo, la falta de longitud de anclaje de las varillas ubicadas en las bases de las columnas, el traslape del acero de refuerzo en las articulaciones plásticas y la falta de estribos para proporcionar una presión de confinamiento adecuada, son defectos comúnmente encontrados en las columnas de puentes existentes. A continuación se comentan brevemente las principales deficiencias observadas en puentes dañados. Uno de los problemas que se han identificado con mayor frecuencia es la reducida capacidad a flexión de las columnas. Esto se debe, en parte, al bajo nivel de fuerza lateral que se empleaba para su diseño. Se han observado en algunas pilas dañadas, porcentajes de acero longitudinal insuficiente, menores del 1%. Inclusive, en puentes construidos más recientemente, la intensidad sísmica ha superado las acciones de diseño que recomendaban los códigos correspondientes al sitio donde se ubicaba el puente. Los sismos de Taiwán (1999) y Kobe (1995) son ejemplos de esta afirmación. Otro de los defectos que se han observado en pilas de puentes existentes es que el traslape de las varillas se efectuaba en la zona de la articulación plástica, a poca distancia de la conexión con la cimentación. En

9


puentes diseñados antes de 1970, la longitud de los traslapes era, además, insuficiente para desarrollar la fluencia de las varillas, de manera que la ductilidad que podían desarrollar las columnas en su base, se reducía considerablemente. Pruebas experimentales muestran la baja capacidad de rotación que se alcanza en estos casos. Aún en aquellos elementos en los que se tiene una longitud de traslape conforme con los reglamentos de diseño vigentes, la presencia de traslapes de varillas en la zona de articulación plástica, reduce en forma importante la ductilidad de la columna (Chung et al., 2004). El uso de soldadura a tope para empalmar las varillas en la zona de la articulación plástica también limita la capacidad de rotación, ya que no se logra proporcionar la resistencia y ductilidad adecuada a la soldadura. En un gran número de columnas de la vía Hanshin, que fueron afectadas por el sismo de Kobe de 1995, se produjo la falla de las soldaduras que se utilizaron para empalmar las varillas en la zona de la articulación plástica (ver figura 10). El problema fue acrecentado por el hecho de que todas las soldaduras se encontraban en la misma sección. La falla ocurrió después de un agrietamiento inicial por cortante.

Figura 10 Falla de la soldadura a tope empleada para el empalme de varillas en la zona de articulación plástica (Hsu y Fu, 2004)

La ductilidad de curvatura de la articulación plástica se ve afectada significativamente por la resistencia a cortante en la sección y por el nivel de confinamiento del refuerzo transversal. Para que un elemento pueda experimentar ciclos de carga y descarga con incursiones en el intervalo inelástico, sin sufrir un deterioro significativo de rigidez ni resistencia, el núcleo de concreto debe estar adecuadamente confinado. Una vez que se pierde el recubrimiento, los estribos cumplen dos funciones básicas: restringen el pandeo de las varillas longitudinales, y proporcionan confinamiento al núcleo evitando su agrietamiento y el consecuente deterioro de rigidez y resistencia. Desafortunadamente los detalles que se especifican en las normas actuales sobre la separación, distribución y anclaje de los estribos no se empleaban anteriormente. En la figura 11 se observan dos pilas con una baja cuantía de acero transversal en la zona de las articulaciones plásticas.

Figura 11 Baja capacidad a cortante y falta de confinamiento en la zona potencial de formación de articulaciones plásticas (Priestley, et al., 1996)


10

La falta de anclaje apropiado del refuerzo longitudinal en la base de las pilas, además de reducir la ductilidad del elemento y favorecer una posible falla por extracción de la pila (Priestley et al, 1996), aumenta su flexibilidad, sobretodo al incrementarse los niveles de desplazamiento inelástico. A esta condición se atribuyen los grandes desplazamientos residuales observados en 88 pilas del viaducto Hanshin después del sismo de Kobe. Se tomó la decisión de demoler las pilas debido a las dificultades técnicas y al elevado costo que implicaba el tratar de restituirlas a su posición original (Kawashima, 2000 y Fujino et al, 2005). En muchos puentes, la falla de las pilas dejó en evidencia la escasa cuantía de estribos para soportar las fuerzas cortantes. En la mayor parte de estos casos, se trata de pilas con una baja relación de esbeltez, en las que la resistencia a flexión era claramente superior a la resistencia a cortante. La distribución del armado y las especificaciones que se empleaban para su diseño no favorecían la capacidad de rotación ni orientaban la falla hacia una condición dúctil, presentándose en muchos casos fallas por cortante. En los diseños previos a 1970 no se aprecia un cuidado por evitar que la falla por cortante se presentara después que una falla por flexión, lo que daba por resultado pilas con resistencias a flexión dos o tres veces superiores a la resistencia por cortante (Priestley et al, 1996). Algunas pilas con fallas por cortante se observan en las figuras 7 y 12.

Figura 12 Fallas por cortante en pilas producidas durante los sismos de Northridge y Kobe (http://www.schulich.ucalgary.ca/CSCE-Students/structural_earthquakes.htm)

En algunas ocasiones la falla se produce fuera de las zonas potenciales de formación de articulaciones plásticas. Esta condición se produce como resultado de una combinación de flexión – cortante, debida fundamentalmente al debilitamiento de la sección que se origina en la terminación de las varillas de refuerzo longitudinal en determinada sección de la columna. Fuera de la zona de las potenciales articulaciones plásticas, el nivel de confinamiento del núcleo es reducido y los traslapes que se realizaban en la sección donde se interrumpía el refuerzo, además de ser excesivos, contaban con una longitud de traslape insuficiente en algunos casos. Cimentaciones Puede afirmarse que las cimentaciones de los puentes no han sufrido mayores daños y que ocurren con menor frecuencia que otro tipo de fallas. Los problemas con las cimentaciones se han producido por deslizamiento del terreno, licuación de arenas o por el paso de una falla cercana a la cimentación. El problema particular de los estribos, fue comentado previamente. De los problemas anteriores, el más común es quizá la licuación del terreno que se produce en puentes que cruzan ríos o cuerpos de agua. Uno de los casos más famosos corresponde al del puente Showa, en Japón, ocurrido el 16 de junio de 1964 durante el sismo de Nigata (M = 7.5). El puente estaba estructurado a base de claros simplemente apoyados, lo cual lo hacía más vulnerable a los movimientos relativos que se produjeron en las pilas (ver figura 13). Un caso más reciente es el del puente Wangan (ver figura 2), durante el sismo de Kobe, en Japón.

11


Cabezal y unión pila - cabezal Las grandes dimensiones relativas de los cabezales proporcionan una sobrerresistencia en estos elementos, lo que conduce, generalmente, a que el refuerzo y detallado de las uniones pila-cabezal reciba poca atención durante el proceso de diseño. Es por ello que, a pesar de la sobrerresistencia esperada, se hayan observado algunos daños en esta zona durante temblores pasados. Los daños se atribuyen básicamente a los siguientes factores (Priestley et al., 1996): baja capacidad a cortante en la unión pila-cabezal, escasa longitud de anclaje del refuerzo para momento negativo y anclaje insuficiente en el extremo del cabezal.

Figura 13 Desplome de los tableros del puente Showa debido a los movimientos de las pilas por efecto de licuación del terreno (cee.uiuc.edu/.../liquefaction/SHOWA.html)

Observaciones sobre los daños Como resultado de la extensa revisión bibliográfica realizada, se concluye que las causas más comunes de daño en los puentes durante una excitación sísmica, son los que se resumen en los siguientes aspectos generales:

• Subestimación de los desplazamientos y fuerzas de diseño • Existencia de puentes construidos con criterios de diseño que no contemplan, ni los detalles

constructivos, ni las configuraciones estructurales apropiadas para zonas sísmicas • Presencia de fallas activas cerca de las estructuras que dan origen a movimientos no previstos en el

diseño • Distribución irregular de la rigidez de los elementos de la subestructura, que lleva a una

concentración de la fuerza de inercia en pocos elementos y ocasiona movimientos de torsión significativos

• Baja capacidad para soportar fuerzas cortantes en los extremos de las columnas y en los nudos • Pérdida de la conexión entre la superestructura y la subestructura, debido a longitudes de asiento

insuficientes, y a la baja capacidad de pernos y conectores de los apoyos • Ausencia de elementos que restrinjan los movimientos laterales y longitudinales de la

superestructura. En el caso de los topes laterales que se han empleado en algunos puentes mexicanos, se han observado deficiencias en la resistencia y en la distribución del armado

• Falta de confinamiento adecuado y baja capacidad de rotación en las zonas de formación de articulaciones plásticas

• Rotación y hundimiento de los estribos


12

• Licuación de arenas • Ocurrencia de eventos con magnitudes superiores a las previstas por los códigos de construcción

CARACTERÍSTICAS DE PUENTES EN MÉXICO La experiencia adquirida con el análisis de daños provocados por eventos sísmicos en puentes, es una fuente de información importante que debe considerarse cuando se proponen modelos para evaluar la vulnerabilidad sísmica de estas estructuras. Adicionalmente, el conocer las características particulares y estado actual de las estructuras en una región proporciona información adicional necesaria para estimar la probabilidad de daño sísmico en el futuro. Con el objetivo de conocer características generales de los puentes en el país se recopiló información de los proyectos estructurales de puentes en el país y se consultaron otras fuentes entre las que destacan los reportes SIPUMEX. Uno de los programas más importantes para determinar el estado físico de puentes en México es el utilizado por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) para la conservación de estas estructuras. Este programa, llamado SIPUMEX (Sistema de Puentes Mexicanos), fue iniciado por la SCT en 1992 y tiene como principal objetivo contar con un procedimiento sistemático para atender las necesidades de rehabilitación y mantenimiento de los puentes en México. Dentro del programa, la SCT realiza periódicamente inspecciones visuales a los puentes para determinar su estado y programar los trabajos necesarios para su conservación. Como parte de este trabajo se analizaron 81 puentes localizados en doce estados de la República, siete estados están localizados en zonas de moderada y alta sismicidad (Michoacán, Veracruz, Chiapas, Jalisco, Estado de México, Guerrero y Puebla) y cinco en zonas de baja sismicidad (Sonora, Nuevo León, Morelos, Chihuahua y San Luis Potosí). Entre los principales resultados resalta que la mayor parte de las reparaciones requeridas se deben a agrietamiento por flexión y por cortante, deterioro de apoyos y socavación y erosión en la subestructura. La mayoría de los problemas derivan de un mantenimiento inadecuado y diferido, a la falta de capacidad de carga por el incremento de la carga viva durante la vida útil de los puentes y en menor grado a defectos constructivos. Las siguientes figuras muestras un resumen de las características generales de algunos parámetros de importancia para estimar el comportamiento sísmico esperado de los puentes, derivadas del análisis de la información recopilada.La figura 14 muestra el año de construcción de los puentes analizados. Como se observa, la mayor parte se construyeron en el periodo de 1960-1980, lo que significa que muy probablemente fueron construidos utilizando los proyectos tipo de la época. Esto permite estimar los armados de algunos de sus elementos y las características geométricas generales.

Figura 14 Año de construcción de la muestra de puentes

3.13%

34.38%

45.31%

12.50%

4.69%

0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.50

1930-1940 1940-1960 1960-1980 1980-2000 2000-

Año de construcción

% d

e pu

ente

s

13


La longitud total de los puentes (figura 15), es importante para estimar la importancia del puente, la posibilidad de que se produzca un movimiento fuera de fase en los apoyos y la posibilidad de tener irregularidades que afecten la respuesta longitudinal y/o transversal del puente.

Figura 15 Longitud total de la muestra de puentes Como se observa en la figura anterior, más de la mitad de los puentes (55.07%) son mayores que 15 m y 40.98% son mayores que 30 m, además, debido a que la información procede principalmente de carreteras libres de cuota, un porcentaje significativo de los puentes quedan comprendidos en el intervalo de menos de 15 m de longitud..Por otro lado, cabe destacar que cuatro puentes de la muestra tienen longitudes superiores a 200 m. La figura 16 muestra la distribución de los puentes como función de la longitud del claro mayor. Este parámetro está probablemente más relacionado con la importancia de la estructura y proporciona por si solo información de la posible superestructura utilizada en el puente. En la figura se observa que la mayor parte de los puentes construidos con los proyectos tipo tienen claros entre 10 y 25 metros. Existe, sin embargo, una proporción considerable de puentes pequeños (< 10 m) y con claros entre 25 y 35 metros.

Figura 16 Longitud máxima por claro de la muestra de puentes Respecto al tipo de subestructura utilizada en los puentes de la muestra, la figura 17 muestra el tipo de pilas y la figura 18 el tipo de apoyos extremos. Respecto al tipo de pilas la mayor proporción corresponde a muros de

44.93%

14.49% 14.49%8.70%

5.80%2.90%

8.70%

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

<15 15-30 30-45 45-60 60-75 75-90 >90

Longitud Total del Puente

% d

e pu

ente

s

32.00%

42.67%

17.33%

8.00%

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

<10 10-25 25-35 35-45

Longitud máxima de un claro

% d

e pu

ente

s


14

mampostería y en mucha menor proporción a muros de concreto reforzado, pilas con una sola columna, pilas tipo marco con varias columnas y muros de concreto ciclópeo, en orden descendente. El relativo poco número de puentes apoyados en pilas formadas por columnas de concreto reforzado es probablemente uno de los factores que justifica los daños menores hasta ahora producidos por los temblores en la República Mexicana. No obstante, es importante señalar que la mayor parte de la información recabada corresponde a caminos libres de cuota y que podría modificarse si se incluyen datos relativos a las autopistas en el país.

Figura 17 Tipo de pilas de la muestra de puentes

Figura 18 Tipo de apoyos extremos de la muestra de puentes Por lo que respecta a los apoyos extremos del puente, en su mayoría están formados por estribos de mampostería, le siguen los caballetes de concreto reforzado y en menor proporción los estribos de concreto reforzado y de concreto ciclópeo, respectivamente. Los apoyos extremos de los puentes, a diferencia de las pilas, son construidos en una mayor proporción con muros de mampostería. En varios casos de los puentes analizados se cuenta con la altura de cada una de las pilas. En otros, solamente con información relativa a la altura máxima bajo las estructuras. Con estos datos se elaboró la figura 19 que muestra la distribución de alturas de la subestructura. La mayor parte de los puentes tienen una altura pequeña (< 5 metros), aunque una proporción importante (34.78%) se ubican en el intervalo de 5 a 10 metros.

69.05%

11.90%2.38%

11.90%4.76%

0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.90

Muro demampostería

Muro de C.Reforzado

Muro de C.Ciclopeo

Una columna Marco de C.Reforzado

Tipo de estribos

% d

e pu

ente

s

72.22%

8.33%1.39%

18.06%

0.000.100.200.300.40

0.500.600.700.800.90

Estribo demampostería

Estribo de C.Reforzado

Estribo de C.Ciclopeo

Caballete de C.Reforzado

Tipo de apoyo extremo

% d

e pu

ente

s

15


Respecto al apoyo de la superestructura en las pilas, la mayor parte de los puentes antiguos se apoyaban sobre cartón asfáltico que se utilizaba tanto para la junta de expansión como para los apoyos. La cifra de puentes con este tipo de apoyos ha ido disminuyendo considerablemente con el tiempo debido a que varios de estos puentes se han rehabilitado cambiando también los apoyos por placas de neopreno. Un menor número de puentes conservan todavía apoyos que en la actualidad prácticamente no se usan más (fig 20).

Figura 19 Altura máxima de subestructura de la muestra de puentes

Figura 20 Tipo de apoyo de la muestra de puentes A pesar de que la recopilación anterior no proporciona toda la información que se requiere para estimar las características dinámicas de un puente, ni describe todas las variables que se relacionan con los daños sísmicos, sí proporcionan datos importantes, como los anteriormente resumidos, para clasificar e identificar estructuraciones típicas en el país. Esta información analizada conjuntamente con los daños sísmicos comentados anteriormente permite identificar algunas deficiencias de los puentes en nuestro País.

50.00%

34.78%

10.87%

4.35%

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

<5 5-10 10-15 15-20

Altura máxima de la subestructura

% d

e pu

ente

s

41.30%47.83%

4.35% 2.17% 4.35%

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

Neopreno Cartón asfáltico Placas de acero Mecedora deconcreto

Mecedora deacero

Tipo de apoyos

% d

e pu

ente

s


16

DEFICIENCIAS Y CONDICIONES DE LOS PUENTES CONSTRUIDOS EN MÉXICO Como etapa final en la identificación de las deficiencias sísmicas de los puentes existentes en la República Mexicana, se presentan los principales parámetros que tienen influencia en la vulnerabilidad de este tipo de estructuras. Los comentarios que siguen se derivan de las experiencias adquiridas a través del daño de puentes en México y otras partes del mundo, así como de la información proveniente de levantamientos físicos, consulta de planos de proyectos tipo y datos contenidos en los reportes SIPUMEX. Cabe mencionar que los datos obtenidos representan una muestra todavía incompleta sobre las características de los puentes en México. Por un lado, la mayor parte de los datos procede de carreteras libres de cuota, por lo que la muestra refleja el caso de puentes de claros pequeños, con estribos y pilas de mampostería con secciones transversales generosas y alturas reducidas, características que los hacen hace poco vulnerables a la acción sísmica. Por otra parte, el número de puentes sobre los que se tiene información, representan el 1.5% de la población de puentes existentes en el país. Por las razones anteriores, se planea continuar con la captura de información para incrementar la muestra actual y concentrar los esfuerzos en carreteras de mayor importancia que complementen los datos hasta ahora obtenidos. Debido a lo anterior, las conclusiones que se mencionan en los párrafos siguientes, reflejan primordialmente los resultados del análisis de la información correspondiente al tipo de carretera previamente mencionada. A continuación se comentan brevemente las condiciones de los principales parámetros que intervienen en la capacidad sísmica de este tipo de estructuras. Año de construcción Se observa que el 82.8% de los puentes existentes fueron construidos antes de 1980 (figura 14), fecha de gran relevancia, pues es a partir de esa década que ocurre lo siguiente:

- se incrementan las cargas vivas de diseño para puentes en nuestro país - se modifican los criterios de diseño sísmico a raíz de del avance del conocimiento en la dinámica

estructural - se cuenta con bases de datos y análisis sobre los efectos destructivos de temblores ocurridos en distintas

partes del mundo - crece notablemente el número de registro de temblores - se actualizan los códigos de diseño de puentes y de diseño sísmico que se emplean en México - se emplean modelos de análisis y diseño más sofisticados como resultado del uso creciente de las

computadoras Estas condiciones marcan un parte-aguas sobre los criterios de análisis y diseño de las estructuras. Es de esperarse que los puentes construidos al inicio del siglo XXI se encuentren en mejores condiciones de seguridad, aunque sólo el 4.7% de la muestra de puentes se construyeron en esta época. El 12.5% de los puentes fueron construidos en los años comprendidos entre 1980 y 2000 y representan una transición entre ambas etapas.

Antes de 1960, el diseño sísmico parece haber estado ausente en el caso de los puentes. A pesar de que 37.5% de los puentes de la muestra fueron construidos antes de ese año, no se han reportado daños importantes en ese conjunto de puentes durante los últimos sismos destructivos ocurridos en México. La razón fundamental es la alta rigidez y capacidad lateral proporcionada por la subestructura, para las dimensiones de claros y alturas de pilas de los puentes de ésa época. Longitud de los claros Este parámetro es una medida de los cambios de rigidez transversal y longitudinal de la estructura. En los análisis de daños sísmicos de puentes, se ha determinado que la irregularidad originada por los cambios de rigidez es un factor de consideración. La concentración de la fuerza en los elementos más rígidos y los daños que se producen en las fronteras entre segmentos de puentes debido a movimientos fuera de fase, especialmente en los apoyos, es una constante en los daños observados.

17


En la mayor parte de los puentes estudiados en este proyecto, se encuentra que los claros son de longitudes semejantes, sin embargo, en un porcentaje no despreciable de casos, se observan variaciones en la longitud, del orden del 50%. En los puentes en arco, los accesos del puente tienen longitudes significativamente inferiores a los del tramo principal que se salva mediante la estructura en arco y la unión de ambas estructuras es una zona potencialmente peligrosa, pues no existen elementos que restrinjan el movimiento transversal ni longitudinal.

Otro aspecto que debe tenerse en cuenta es que los métodos de análisis simplificados no pueden aplicarse en el caso de variaciones significativas de la rigidez a lo largo del puente. Además, cuando el puente es de gran longitud, 4.7% de los casos de la muestra tienen una longitud superior a los 250 m (figura 15), los efectos de variación espacial deben evaluarse cuidadosamente. Longitud de asiento y topes sísmicos Como se describe con detalle en la descripción de daños, una de las fallas más comunes de los puentes bajo una acción sísmica es la pérdida de asiento de la superestructura. Este tipo de falla se produce por la insuficiente resistencia de pernos y tornillos de conexión entre los apoyos y los elementos de la superestructura y/o del cabezal de la subestructura. En el caso de apoyos que permitan el deslizamiento, debe contarse con una longitud de asiento suficiente para evitar la caída de la superestructura al producirse los desplazamientos laterales. La adición de topes sísmicos u otro tipo de dispositivos de restricción lateral y longitudinal son indispensables en la mayor parte de los puentes construidos en zonas sísmicas del país.

Las últimas versiones de los reglamentos de diseño sísmico de puentes en el mundo, proponen expresiones para evaluar la longitud de asiento necesaria (Eurocódigo 8 , 2003; JRA, 1996; Caltrans, 2004). De acuerdo con estas fórmulas, la longitud de asiento es función de la longitud de los claros que coinciden en el apoyo y de las alturas de las pilas vecinas. Estas medidas permiten estimar de manera muy gruesa, la posibilidad de movimientos fuera de fase entre los extremos de un tramo de superestructura, que favorezcan la pérdida de asiento.

De acuerdo con lo comentado en el apartado anterior respecto a que la mayor parte de los puentes de la muestra no tienen variaciones bruscas en las longitudes de los claros, ni en las alturas de pilas, se concluye que estos puentes no son proclives a tener movimientos fuera de fase entre los elementos de la subestructura, y por ello no se ha producido con frecuencia este tipo de falla. A pesar de lo anterior, se afirma también que existe una cantidad no despreciable de puentes que si pueden sufrir movimientos relativos entre sus apoyos y deberá evaluarse con cuidado la longitud necesaria de asiento.

Los códigos de construcción establecen una longitud mínima de asiento comprendida entre 60 y 70 cm. Esta especificación no llega a cumplirse en algunos puentes, sin embargo, dadas las condiciones de longitudes de claros y altura de pilas uniformes y de pequeñas dimensiones, no parece necesario cumplir rigurosamente con esta longitud mínima de asiento en algunos puentes existentes.

Por lo que respecta a los topes sísmicos, es evidente que antes de la década de 1980 no existía una preocupación por colocar una restricción transversal al desplazamiento de la superestructura, ni siquiera en el caso de apoyos con libertad de desplazamiento lateral. Los trabajos de rehabilitación y mantenimiento que se han generado a partir del programa SIPUMEX, han favorecido la adición de topes sísmicos en varios puentes, no obstante, los resultados no parecen del todo satisfactorios, como se observa, por ejemplo, en los daños de los puentes Coahuayana (figura 5) y Manzanillo (figura 6). Es de esperarse que la mejora en la práctica de diseño de topes sísmicos para puentes se vea reflejada en los puentes construidos a partir del año 2000. Irregularidad en planta y esviajamiento La falta de regularidad en planta conduce a problemas de torsión que suelen afectar a la superestructura y a una distribución irregular de las fuerzas cortantes entre los elementos verticales. Los problemas de esviajamiento son comunes en los puentes tipo PIV y en algunos puentes de autopistas. En los puentes de las carreteras libres de cuota, que son la mayor parte de los puentes de la muestra estudiada hasta el momento, las


18

estructuras se encuentran en tangente y en los pocos casos en los que existe esviajamiento, el ángulo es muy pequeño y no parece constituir una fuente de problemas especiales en el puente. El número de puentes en curva es menor que el de los puentes con esviajamiento, pero los comentarios anteriores se pueden extender a este caso. Tipo de apoyos

Los puentes construidos antes de 1960, que representan 37.5% de la muestra, se apoyan directamente sobre cartón asfáltico, que es el mismo material que se empleaba para las juntas de construcción. Sin embargo, a los puentes que han sido rehabilitados en las últimas décadas, se les han colocado apoyos de neopreno laminados. Este tipo de apoyos ha mostrado un buen comportamiento bajo las cargas y condiciones ambientales a las que están sometidos los puentes. A pesar de ello, en algunos casos, ha sido necesario sustituir los apoyos de neopreno, pues el área del apoyo y/o el trabajo de vulcanizado no eran los apropiados, observándose problemas de deformación volumétrica excesiva del neopreno entre las capas de acero.

Por lo que respecta a los apoyos tipo mecedora, éstos se encuentran en condiciones inestables por la pérdida de apoyo total que han experimentado con el tiempo. En los apoyos metálicos se observan problemas de oxidación por falta de mantenimiento, que pueden degenerar en problemas serios si no se atienden oportunamente.

Es importante considerar la influencia de los apoyos en la evaluación de los periodos de vibración, ya que la flexibilidad propia del apoyo reduce en forma significativa la rigidez del conjunto pila-apoyo. Esta situación modifica las frecuencias de vibración, la distribución de fuerzas entre los elementos verticales y los desplazamientos máximos. La experiencia obtenida en los últimos años ha permitido establecer algunas medidas de protección de los puentes contra los eventos sísmicos. Tradicionalmente, se ha recurrido a la modificación de la rigidez, masa o geometría de una estructura, cuando se intentan reducir las fuerzas de inercia y los desplazamientos que se generan como resultado de las oscilaciones provocadas por un sismo, y se confía a la ductilidad del sistema la capacidad de disipar la energía adicional en el caso de sismos extremos. Como alternativa, el control de vibraciones es una de las estrategias que se han propuesto en los últimos años para controlar los desplazamientos y las fuerzas de inercia que se generan en los puentes durante un temblor, y consiste en el uso de dispositivos externos de carácter pasivo o activo. El criterio en el que se basa esta estrategia de control se orienta a la reducción de la demanda sísmica en la estructura, más que en tratar de incrementar su capacidad resistente o de deformación. La adecuada aplicación de este criterio conduce a sistemas que se comportan en forma elástica durante grandes sismos, contrariamente al diseño tradicional, en el que se pretende mejorar la capacidad de disipar energía de la estructura mediante el daño en los elementos que la forman. El único puente que ha sido aislado sísmicamente en México es el puente Infiernillo II Se trata de un puente nuevo que cruza la presa de Infiernillo en el estado de Michoacán, con una longitud total de 520 m, distribuidos en cinco tramos simplemente apoyados de 104 m cada uno. Los apoyos consisten en un sistema deslizante multidireccional que disipa la energía mediante fricción, al ajustar la presión interna aplicada a las placas de contacto (Gómez et al., 2001). El uso de aisladores en puentes existentes permite una mejor redistribución de las fuerzas entre los elementos verticales y una reducción importante en la demanda en determinados puentes. Cuando es necesario reforzar la cimentación de las pilas, el uso de aisladores puede disminuir los elementos mecánicos en la cimentación, lo que representa un ahorro importante en el costo del refuerzo (Jara y Casas, 2002). Por lo que respecta a los puentes nuevos de claros medios y cortos, el uso de aisladores sísmicos y disipadores de energía constituyen una opción atractiva.

19


Altura y tipo de pilas Además de los apoyos, las pilas son los elementos de un puente con mayor susceptibilidad de experimentar daño durante un sismo. Las pilas sólidas tipo muro de mampostería o concreto, que soportan puentes de claros cortos, son suficientemente resistentes y rígidas para asegurar un buen comportamiento sísmico. Esta es una explicación del porque los puentes existentes, con varias décadas de vida, se han comportado satisfactoriamente.

Los puentes de grandes claros y los que tienen pilas de concreto tipo marco o de una sola columna, que fueron construidos antes de 1980, deben estudiarse cuidadosamente, pues los detalles de armado pueden no ser los adecuados. Los traslapes, separación y anclaje de estribos, los cortes de varillas en zonas críticas y otros problemas observados en sismos destructivos, reducen drásticamente la ductilidad y capacidad de rotación de las articulaciones plásticas.

Los puentes más recientes que salvan claros con mayor altura y longitud, con pilas más esbeltas y de menor rigidez relativa, incrementan su vulnerabilidad sísmica si no han sido diseñados conforme con los criterios recientes de diseño sísmico.

Una observación importante surgida de la revisión de los puentes, es que no se aprecia una diferencia en las dimensiones de las pilas entre puentes ubicados en zonas de alta sismicidad y zonas de baja sismicidad (zonas D y A de la regionalización sísmica de la República Mexicana respectivamente). Esta situación, que deberá ser confirmada con un mayor número de puentes, refleja la ausencia de un diseño sísmico apropiado, o bien, que la acción del sismo no gobierna las dimensiones de diseño.

La altura de las pilas exige, en algunos casos, la consideración de los efectos de esbeltez en el dimensionamiento, y la necesidad de evaluar los efectos de segundo orden en el análisis estructural. El 4.35% de la muestra de puentes analizada tienen alturas superiores a 15m. Debe tenerse presente que la altura de las pilas está ligada estrechamente con el periodo de vibración del puente y con la posible amplificación dinámica por su relación con el tipo de suelo de sustentación.

Estado de conservación Es evidente que los puentes requieren de un trabajo permanente de conservación y mantenimiento. Aunque la SCT tiene implementado dicho programa, es frecuente encontrar puentes con distintos tipos de problemas derivados de la falta de mantenimiento. La mayor parte de los problemas que se reportan, no están asociados a daños sísmicos, no obstante, su existencia reduce la capacidad del puente para soportar eventos sísmicos futuros. Los problemas observados pueden dividirse en tres categorías: a) Problemas estructurales.- De acuerdo con los datos de los reportes SIPUMEX, los principales problemas

encontrados son grietas por flexión y cortante, debido a la falta de capacidad de los elementos originada en ocasiones por el incremento de las cargas de diseño.

b) Problemas de mantenimiento.- Es frecuente encontrar problemas de oxidación y en algunos casos estados

de corrosión avanzados, en elementos metálicos principales, en apoyos y en elementos de anclaje o sujeción. En los elementos de concreto se observan humedades en pilas y estribos debido a escurrimientos provenientes de drenes y juntas.

c) Problemas de cimentación.- Se originan en la socavación y/o erosión de las cimentaciones de pilas,

estribos, aleros y terraplenes de los accesos. Este tipo de problemas son bastante comunes y en algunos casos ponen en alto riesgo la estabilidad del puente, tanto por la acción de avenidas futuras, como por la acción de un sismo.


20

Ubicación El sitio de emplazamiento de un puente juega un papel fundamental en la acción que el sismo produce en la estructura. Por un lado, el peligro sísmico está ligado directamente a la posición del sitio respecto a la de las fuentes sismogénicas potenciales. Por otra parte, los efectos de sitio asociados al tipo de terreno y a la topografía local, producen movimientos con determinadas características, que deben estimarse para conocer la vulnerabilidad sísmica del puente.

Otro aspecto que debe tenerse presente, es el potencial de licuación del terreno, pues se han reportado un gran número de fallas en puentes por este fenómeno, como se menciona en la descripción de daños previa. Finalmente, en la figura 21, se muestra un resumen sobre los principales problemas que han sido identificadas. Se observa que la longitud de asiento, los criterios de diseño derivados de la fecha en que el puente fue proyectado, la irregularidad en elevación y el tipo de apoyo son los problemas que tienen mayor influencia en la vulnerabilidad sísmica de los puentes.

Figura 21 Principales variables que influyen en la vulnerabilidad sísmica de los puentes.

CONCLUSIONES Con base en el análisis de la información expuesta, se obtuvieron las siguientes conclusiones:

• El 70% de los puentes en México fueron construidos antes de 1970, proyectados seguramente bajo criterios de diseño sísmico que no cumplen con las condiciones exigidas actualmente. Por tal motivo se considera indispensable su evaluación, en especial los puentes cuya subestructura está formada por columnas de concreto reforzado y localizados en zonas de moderada a alta sismicidad.

• Aunque la mayor parte de los puentes de la muestra tienen claros con longitudes uniformes, existen casos de puentes con diferencias entre claros vecinos del orden del 50%, lo que da origen a irregularidades en rigidez importantes. Es recomendable estudiar el comportamiento sísmico de estos casos.

• Se recomienda colocar dispositivos de restricción transversal y longitudinal en puentes existentes. En particular en puentes esviajados, puentes curvos y puentes con apoyos deslizantes y/o con longitud de asiento insuficiente. También se propone aumentar la longitud de asiento en aquellos puentes que así lo requieran.

21


• Se deben revisar los criterios hasta ahora adoptados para el diseño de los topes sísmicos de puentes en México dado que su comportamiento ante eventos de gran magnitud no ha sido satisfactorio.

• Para evitar problemas de estabilidad y de mantenimiento, es conveniente reemplazar los apoyos tipo mecedora y los apoyos de acero por apoyos de neopreno. En algunos casos puede ser más apropiado el uso de aisladores de base.

• Cuando existan diferencias significativas en las alturas de pilas, el uso de aisladores de base puede contribuir a mejorar su comportamiento y resistencia.

• Los problemas de socavación y erosión en pilas son particularmente peligrosos ya que dejan en condiciones sísmicamente vulnerables a los puentes.

• Se deben evitar traslapes o empalmes en las zonas de articulaciones plásticas y cuidar las longitudes de anclaje de las varillas longitudinales. El acero transversal debe ser suficiente para proporcionar un adecuado confinamiento al núcleo de concreto, para reducir la longitud de pandeo de las varillas longitudinales y para evitar fallas por cortante, en especial en la zona de articulaciones plásticas. Debe diseñarse de manera que la resistencia a cortante sea superior a la sobrerresistencia por flexión de la pila.

• Se debe evitar, en lo posible, terrenos con potencial de licuefacción y emplazamientos cercanos a fallas activas.

REFERENCIAS Alcocer, S.M., Reyes, C., Flores, L., Duran, R., López, O., Domínguez, L., Echevarría, A., Pacheco, M.A. (2003), “El sismo de Tecoman del 21 de enero de 2003. Daños en el Estado de Jalisco”, Reporte Interno, Dirección de Investigación, Centro Nacional de Prevención de Desastres. Caltrans (2004). California Department of Transportation, “Seismic Design Criteria”, Versión 1.3, Sacramento, Califronia, 97 pp. Chung Y. S., Lee D. H. And Song H. W., (2004), “Curvature variation on earthquake-experienced RC bridge pier in the plastic hinge region”, Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering, Paper No. 2097, Vancouver, Canada. Cooper J. and Buckle I. (1995), “Lesson from the Kobe Earthquake”, Public Roads on-line, Federl Highway Administration, US Department of Transportation, Vol 59, No. 2. DesRoches, R., (2000), “Shape memory alloy-based response modification of simply supported bridges”, Advances in Structural Dynamics, Vol. 1, edited by J. M. Ko y Y. L. Xu, Elsevier Science Ltd. EQE Engineering Inc., (1989), “The October 17, 1989 Loma Prieta Earthquake”, an EQE Summary Report, URL: http://www.eqe.com/publications/lomaprie/lomaprie.htm EQE International, (1994), “The January 17, 1994 Northridge, California Earthquake”, an EQE Summary Report, URL: http://www.eqe.com/publications/northridge/transpor.htm EQE International, (1995), “The January 17, 1995 Kobe Earthquake”, an EQE Summary Report, URL: http://www.eqe.com/publications/kobe/kobe.htm Eurocódigo 8 (2003). European Committee for Standardization,“Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Part 2:Bridges”, 137pp. Fujino, Y., Hashimoto, S. and Abe, M. (2005), “Damage analysis of Hanshin Expressway Viaducts during 1995 Kobe Earthquake. I: Residual inclination of reinforced concrete piers”, Journal of Bridge Engineering, Vol. 10, No. 1, pp. 45-53 Ghasemi, H., Otsuka, H., Cooper, J. D. y Nakajima, H., (1996), “Aftermath of the Kobe Earthquake”, Public Roads On Line, URL: http://www.tfhrc.gov/pubrds/fall96/p96au17.htm


22

Gómez, C., Barbat, A. H. y Oller, S., (2000), “Vulnerabilidad de puentes de autopista. Un estado del arte”, Monografías de Ingeniería Sísmica, CIMNE IS-41, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. Gómez, R. y Galindo, A. (1997), “Líneas Vitales, en: El Macrosismo de Manzanillo del 9 de octubre de 1995”, Universidad de Colima, pp. 159-171. Gómez R., Muñoz D., García M., Escobar J.A. y Calderón A. (2001), “Evaluación sísmica de un puente con la superestructura sobre apoyos disipadores de energía”, Memorias del Segundo Congreso Iberoamericano de Ingeniería Sísmica, 078.3, Madrid, España. Hsu, Y. T. and Fu, C. C. (2004), “Seismic effect on highway bridges in Chi Chi earthquake”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 18, No. 1, pp. 47-53 JRA (1996).,“Specifications for Highway bridges, Part V: Seismic Design”, Japan Road Association, Japón. Jara y Casas (2002), “Control de vibraciones en puentes. Un estado del arte y de la práctica”, Monografías de Ingeniería Sísmica, Centro Internacional de Métodos Numéricos en Ingeniería, CIMNE IS-48, 2002, Barcelona, España, 120 pp. Kawashima K. (2000), “Seismic design and retrofit of bridges”, Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineerineg, Auckland, New Zealand. Maldonado, E., (2000), “Metodología para la evaluación de la vulnerabilidad sísmica en puentes”, Tesis doctoral, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona. Moehle, J. P. and Eberhard, M. O. (2003), “Earthquake damage to bridges”, in Bridge Engineering. Seismic Design, W.-F.Chen and L. Duan (eds.), CRC Press, pp. 2-1 2-33. Nakata, J. K., Meyer, C. E., Wilshire, H. G., Tinsley, J. C., Updegrove, W. S., Peaterson, D. M., Ellen, S. D., Haugerud, R. A., McLaughlin, R. J., Fisher, G. R. y Diggles, M. F., (1999), “The October 17, 1989, Loma Prieta, California, Earthquake, selected photographs”, U. S. Geological Survey, URL: http://geopubs/wr.usgs.gov/dds/dds-29/ NCEER (1995), “Report from the Hanshin-Awaji Earthquake: Overview of Performance of Highway Bridges”, an NCEER bulletin, April 1995, Vol. 9, No. 2, URL: http://mceer.buffalo.edu/research/HighwayPrj/bullarticles/Apr95Vol9No2.asp. Priestley, M. J. N, Seible, F. and Calvi, G. M. (1996), “Seismic design and retrofit of bridges”, John Wiley and Sons, Inc., 686 pp. Roussis, P. C., Constantinou, M. C., Erdik, M., Durukal, E. y Dicleli, M., (2003), “Assessment of performance of seismic isolation system of Bolu Viaduct”, Journal of Bridge Engineering, Vol. 8, No. 4, pp. 182-190. Uang, C., Elgmanal, A., Li, W. y Chou, C., (1999) “Ji-Ji, Taiwan Earthquake of September 21, 1999”: a brief reconnaissance report”, Department of Structural Engineering, University of California, San Diego, URL: http://www.structures.ucsd.edu/taiwaneq/taiwan1.htm

23


Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ALGUNAS ... · PDF filepuente en arco...

Documents

Transcript of Sociedad Mexicana de Ingeniería Estructural ALGUNAS ... · PDF filepuente en arco...