EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE UN PUENTE EXISTENTE MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE UNA PRUEBA DE CARGA ESTÁTICA

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1 EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DE UN PUENTE EXISTENTE MEDIANTE LA REALIZACIÓN DE UNA PRUEBA DE CARGA ESTÁTICA ADRY VIVINA FLORES ALVARADO Ingeniera Civil Universidad de El Salvador (UES) El Salvador JOSÉ EDUARDO VILLALOBOS ZETINO Ingeniero Civil Ministerio de Obras Públicas (MOP) El Salvador RESUMEN. El trabajo de investigación fue orientado a la ejecución de la prueba de carga estática en un puente carretero existente, evaluando el comportamiento estructural del mismo como conjunto. Este estudio fue uno de los precursores para la realización de esta prueba en otras obras de paso del país. La selección del puente a ensayar estuvo en función de varios factores, tales como: puente carretero en servicio, de un solo claro, de vigas de concreto (reforzado, presforzado o postensado) isostáticamente apoyadas, entre otros aspectos; así también, durante la selección se privilegió aquella estructura que contara con planos y documentos técnicos relacionados con la construcción de la misma. Con base a la información anterior, se procedió a la elaboración de un modelo matemático usando los Softwares AVWIN98 y Sap2000, para posteriormente proceder con la ejecución del ensayo de carga propiamente dicho y comparar de esta forma desplazamientos verticales y esfuerzos de tensión previstos (teóricos) y medidos (de campo). INTRODUCCIÓN. Los puentes existentes son vulnerables a presentar condiciones de deterioro que afectan su operación, razón por la cual es importante investigar y profundizar sobre su estado y las metodologías de evaluación estructural a emplear. Para ello es necesario documentarse y tener conocimiento respecto de los criterios de diseño considerados, materiales y procesos constructivos incorporados a la obra; cargas y condiciones a las que ha sido sometida la estructura durante su vida, entre otros; dichos aspectos son variables importantes que sirven de insumo para las labores de inspección visual, auscultación (ensayos no destructivos y/o destructivos) diagnóstico, capacidad de carga, análisis de confiabilidad y riesgo, modelos de deterioro, mantenimiento, rehabilitación entre otras. Muchas de las obras de paso existentes en el país han estado en funcionamiento durante varias décadas, muy probablemente ya no ofrecen una adecuada respuesta ante las cargas de tráfico vehicular actual y futuro, lo cual aunado al deterioro que presentan, demandan de una evaluación que permita determinar la necesidad de realizar intervenciones, establecer restricciones para su uso, o en última instancia llevar a cabo la sustitución de la estructura. En general, las pruebas de carga (estáticas y dinámicas) en puentes en el país, no son obligatorias y tampoco se encuentran normadas (no existe una normativa nacional de puentes); sin embargo, existe registro documental de este tipo de ensayo realizado como requisito para la recepción de un puente ubicado en la Carretera Panamericana (CA-1). MARCO TEÓRICO. La modernización de la infraestructura de transporte en El Salvador comenzó con los ferrocarriles en las principales ciudades de San Salvador y Santa Ana. Las carretas y carruajes que llevaban a las personas de un punto de la ciudad a otro fueron reemplazados primero por tranvías de tracción animal y después por

2 tranvías autopropulsados. A partir de entonces el crecimiento de la infraestructura vial urbana e interurbana ha ido incrementándose aceleradamente, de acuerdo a la expansión de centros industriales, de producción, de servicios, así como de los habitacionales; prueba de ello es la ciudad de San Salvador, que ha sido considerada como la principal fuente generadora de crecimiento económico del país, situación que genera una demanda de servicios, especialmente de comunicación y transporte, sin los cuales no se puede lograr la movilidad de productos para su comercialización. Actualmente, en el país predomina el diseño y construcción de puentes de concreto (reforzado, preesforzado o postensado), basados en las Especificaciones Técnicas de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO). Sin embargo, debido a la gran cantidad de variables e imprevistos involucrados en la construcción de obras civiles, particularmente en la construcción de puentes, se vuelve necesario verificar que la obra construida es conforme con la calidad requerida por los Documentos Contractuales; uno de los métodos más fiables para el logro de tal fin, es la evaluación estructural de un puente mediante la realización de una prueba de carga estática. La prueba de carga es un ensayo que se realiza en una obra estructuralmente terminada, con el objeto de verificar si su concepción y ejecución han sido las apropiadas, sometiendo a la misma a las acciones producidas por el tren de carga de la prueba. Para ello se reproducen los efectos del tren de carga de cálculo mediante un tren de carga real (camiones, por ejemplo) de modo que las solicitaciones a que de lugar el tren de carga sean del orden de 70% - 80% de los valores teóricos producidos por el mismo, adoptando sus valores característicos sin factorar. Debido que en el país no existe una normativa para el diseño y/o evaluación de puentes; y teniendo en consideración el detalle que sobre el tema se presenta en la bibliografía técnica de referencia y la aplicabilidad de la misma en el país (principalmente, la bibliografía de origen norteamericano), para fines de esta investigación se tomó como base las normativas de España y de Estados Unidos para evaluar un puente en servicio ubicado en una de las principales carreteras del país. Distintos países contemplan las pruebas de carga en sus normativas de diseño de puentes, entre los cuales se pueden mencionar: España, en el Capítulo 5 Pruebas de carga de la Instrucción sobre las Acciones a considerar en el Proyecto de Puentes de Carreteras (IAP), publicado por el Ministerio de Fomento de dicho país. Estados Unidos, en la Sección de las AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, y en el Manual for Condition Evaluation of Bridges, ambos documentos publicados por la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), y el Manual for Bridge Rating Through Load Testing, publicado por la National Cooperative Highway Reserch Program (NCHRP).Colombia, en la Sección C.2.1 y Sección D.3.6. del Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes, publicado por el Ministerio de Transportes, Instituto Nacional de Vías y la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica. METODOLOGÍA. El desarrollo de la investigación consistió básicamente en tres etapas: la primera fue en inspección y evaluación preliminar; la segunda en la planificación, preparación y ejecución del ensayo de carga y la tercera evaluación fue los resultados del ensayo de carga. A continuación, se describe cada una de ellas: A. Inspección y evaluación preliminar. En general, esta etapa contempló lo siguiente: a. Consideraciones generales para la selección del puente. Se refiere a parámetros que posibilitaron la ejecución de la prueba de carga estática, tales como: ubicación, puente carretero de construcción reciente, de un solo claro y de vigas isostáticamente apoyadas, disponibilidad y acceso a información técnica (planos y especificaciones), bajo administración estatal, entre otros. b. Recolección de información preliminar: Se refiere a la identificación de la tipología estructural, normativa para el diseño y construcción, Planos y Especificaciones Técnicas, entre otros. c. Inspección preliminar de campo. Consistió en la verificación de la información contenida en los planos (relacionada con la geometría de los componentes de la superestructura y de la subestructura) y recopilación de información relacionada con el estado de los componentes del puente. d. Evaluación estructural preliminar del puente: En este apartado se abordan aspectos relacionados con el Software a utilizar y la modelación de la estructura

3 Respecto a la modelación estructural, ésta consistió en analizar teóricamente la estructura a ensayar mediante la creación de un modelo matemático con la discretización de la misma, en función de sus elementos resistentes principales. Cabe indicar que las cargas y propiedades de los materiales que fueron utilizadas en el modelo, corresponden a lo establecido en las Especificaciones Técnicas del proyecto. En este caso, se consideró cinco vigas longitudinales de m (distancia entre apoyos) y en el sentido transversal se consideró 13 ejes de barras para representar a la losa de concreto reforzado, generándose un mallado con tableros de 1.663m x 2.326m, como se muestra en la Figura 1, en el que la superestructura es sometida a las cargas estáticas (teóricas) con el fin de determinar, de forma aproximada, los valores esperados de las magnitudes a medir en campo. Para lo anterior se usó el software AVWIN98, en el cual se introdujo los datos geométricos de la superestructura y las cargas consideradas para obtener como resultado del análisis, las traslaciones y rotaciones de los nudos, reacciones en los apoyos, momentos flexionantes y cortantes, fuerzas axiales y pendientes resultantes en cada viga. Figura. 1. Modelación estructural del puente. B) Planificación, preparación y ejecución del ensayo de carga. En general, esta etapa consideró lo siguiente: a. Definición de los objetivos y del tipo del ensayo de carga a realizar. b. Establecimiento de las variables a evaluar. c. Selección y distribución de la instrumentación del puente. d. Definición del personal involucrado. e. Ejecución del ensayo de carga: Actividades previas (visitas de campo, preparación y acondicionamiento de la estructura), plan de seguridad y control del tráfico, preparación y calibración de la instrumentación, materialización del tren de carga, entre otros. El tipo de ensayo realizado fue el de diagnóstico basado en el Manual para la Evaluación de puentes a través de ensayos de carga (Manual for Bridge Rating Through Load Testing) de la National Cooperative Highway Research Program (NCHRP). El ensayo de diagnóstico permitió comparar los resultados de las mediciones de campo con los cálculos estimados en el modelo analítico (teórico), para verificar los efectos de carga que fueron previstos. Con el ensayo se buscó obtener la magnitud de las deflexiones de la superestructura en puntos predefinidos para el estado de carga ejecutado, la posición de la deflexión máxima y los esfuerzos inducidos en la superestructura después de aplicar el tren de carga. Dentro de la instrumentación utilizada para este tipo de ensayo se destaca lo siguiente: cuatro deformímetros con una precisión mínima de 0.01 mm y una capacidad máxima de lectura de 2.5 cm, cuatro galgas electroresistentes, equipo computarizado para la adquisición de datos, carta de medición 3

4 de fisuras y dos básculas de carga de ruedas. Así mismo, para el plan de seguridad y control del tráfico se contó con conos de seguridad, rótulos de seguridad vial, banderolas de seguridad, chalecos con bandas reflectivas y cascos seguridad. Se muestra la distribución de la instrumentación utilizada, ver Figura 2. Respecto a la instrumentación del puente en campo, se colocó cuatro galgas extensométricas en dos de las vigas del tablero (dos galgas por viga), con el fin de analizar los esfuerzos en las mismas. Posteriormente se procedió a colocar las plomadas que tocarían a los deformímetros, las cuales consistieron de cuatro cilindros de concreto de 15 cm de diámetro por 30 cm de alto. Figura. 2. Esquematización de instrumentación De conformidad con las especificaciones técnicas de este puente, para el tren de carga de cálculo se utilizó el vehículo HS-20 (camión de dos ejes con remolque que en total pesan Ton). El tren de carga del proyecto de la prueba estuvo compuesto por dos camiones tipo tandem de tres ejes, cuyos pesos totales individuales (por vehículo) son 21.5 Ton, valor que representa el 65.8% de la carga considerada por el tren de carga de cálculo y que además es la máxima carga permitida por el Ministerio de Obras Públicas (MOP) para el vehículo tipo C-3 (camión de tres ejes). La separación entre los ejes traseros del camión es de 1.20 m. La aplicación de la carga estuvo definida por un solo estado de carga (según se muestra en la Figura 3), el cual fue materializado haciendo uso de dos escalones de carga. La descarga de la estructura se realizó de la misma forma en que fue cargado el puente, es decir, haciendo uso de los mismos escalones de carga. C) Evaluación de los resultados del ensayo de carga. En general, esta etapa examinó lo siguiente: Figura 3.Estado de carga.

5 a. Resumen de resultados: Resultados teóricos (obtenidos a partir del Software utilizado) vrs. Resultados medidos en campo. b. Criterios de aceptación vrs. resultados obtenidos. c. Evaluación de las diferencias entre los valores medidos en campo vrs. los valores teóricos estimados. d. Determinación de la capacidad teórica del puente. Los criterios de aceptación que fueron tomados en cuenta para la verificación del correcto funcionamiento del puente bajo estudio, son: - Los valores de las magnitudes máximas determinadas en las pruebas al finalizar el ciclo de carga, medidas después de la estabilización, no superarán las máximas calculadas en el modelo, ajustado con esas mismas cargas. - Los valores permitidos para la relación flechas/luz (f/l) serán del orden de f/l<1/500 y en ningún caso los valores de f/l excederán a los determinados en el modelo. - En el transcurso del ensayo no deben de aparecer fisuras en el concreto, por ser éste postensado. - La capacidad de recuperación que manifieste la estructura en un periodo de doce horas, después de haber sido retirada la sobrecarga física, deberá ser por lo menos del 90%, quedando como valores remanentes máximos, del 10% para este periodo de tiempo. - No deberán aparecer signos de agotamiento de la capacidad portante en ninguna parte de la estructura. Se presenta a continuación los resultados obtenidos a partir de la ejecución en campo de la prueba de carga estática para el estado de carga aplicado, siendo el primer escalón de carga un camión y el segundo de dos camiones actuando simultáneamente. Primer escalón de carga: un camión. Tablas 1. Lecturas de deformímetros y deformaciones obtenidas, a partir del ensayo en campo, para el estado de carga evaluado (Carga y descarga del primer escalón: un camión). a) Carga Deformímetro Lectura inicial t=0 min. Tiempo 1 t=5 min. Tiempo 2 t= 10 min. Tiempo 3 t= 15 min. unitaria real (mm), valor absoluto VIGA VIGA VIGA VIGA b) Descarga Deformímetro Lectura inicial Carga Lectura inicial Descarga Lectura final Descarga (t= 20 min.) unitaria remanente remanente(mm), valor absoluto VIGA VIGA VIGA VIGA Segundo escalón de carga: dos camiones Tablas 2. Lecturas de deformímetros y deformaciones obtenidas, a partir del ensayo en campo, para el estado de carga aplicado (Carga y descarga del segundo escalón de carga: dos camiones). 5

6 a) Carga Deformímetro Lectura inicial t= 0 min. Tiempo 1 t= 5 min. Tiempo 2 t= 10 min. Tiempo 3 t= 15 min. Tiempo 4 t= 20 min. Unitaria Real(mm), valor absoluto VIGA VIGA VIGA VIGA b) Descarga Deformímetro Lectura inicial carga Lectura final descarga Tiempo 1 t=0 min. Tiempo 2 t= 8 min. Tiempo 3 t= 15 min. Tiempo 4 t= 20 min. unitaria remanente remanente(mm) valor absoluto VIGA VIGA VIGA VIGA Comparación de los resultados obtenidos a partir de la ejecución de la prueba de carga con los resultados teóricos obtenidos a partir de la aplicación de los Softwares AVWIN98 y el Sap2000. Tablas 3. Comparación de las deformaciones máximas reales y teóricas. a) Deformaciones máximas de la prueba (reales) y del modelo de cálculo de AVWIN98 con sus correspondientes relaciones flecha/luz Un camión cargado Dos camiones cargados registrada en la prueba (mm). obtenida en el modelo (mm). % de variación deformación real vrs. modelo Relación flecha/luz (f/l) real. Relación flecha/luz (f/l) modelo b) Comparación de deformaciones, momentos flectores y fuerzas cortantes máximas registradas por los dos programas usados en la modelización del puente Efecto considerado Valor del efecto (SAP 2000) Valor del efecto(avwin98) % de variación AVWIN98 vrs. Sap mm mm máxima Momento Ton - m Ton m flector máximo Fuerza cortante máxima 6.08 Ton Ton Tablas 4. Valores de los momentos flexionantes y esfuerzos en los modelos a) Comparación de los momentos flectores registrados en la modelización del puente Momento obtenido con el cálculo estático (Ton- m) Momento obtenido en el modelo AVWIN98(Ton m) Momento obtenido en el modelo Sap2000(Ton m) Dos camiones cargados % de variación de los resultados de los modelos vrs el cálculo estático

7 b) Valores de los esfuerzos de tensión generados en las vigas del puente, de acuerdo a los valores registrados por las galgas, AVWIN98 Y Sap2000. Forma de cálculo del esfuerzo Valor del esfuerzo (Kg/cm 2 ) % variación del valor obtenido con las galgas vrs. Los obtenidos con el modelo. Esfuerzos calculados a partir de los datos de AVWIN Esfuerzos calculados a partir de los datos de Sap Esfuerzos máximos registrados por las galgas extensiométricas A partir de los resultados teóricos y de campo, y con base en los criterios de aceptación planteados, se hacen las valoraciones siguientes: La capacidad de recuperación que manifestó la estructura después de haber sido retirada la sobrecarga física fue comprobada para un periodo de 20 min. Esto debido a que el tiempo con el que se disponía para realizar la ronda final de lecturas no era suficiente como para esperar doce horas; además, en el transcurso de esos 20 minutos, la estructura se había recuperado en más del 90% de la deformación máxima registrada, según se observa en las Tablas 1b y 2b. De acuerdo a la Tabla 1b, la deformación remanente para la viga 2, transcurridos 20 minutos después del retiro de la sobrecarga de un camión cargado, es de 0.35 mm; lo cual representa el 5.7% de la deformación total (que es 6.18 mm y que se muestra en la Tabla 1a). La deformación remanente para esa misma viga, transcurridos 20 minutos después de haber retirado la sobrecarga generada por dos camiones cargados, es de 0.05 mm (ver Tabla 2b); lo cual representa el 0.5% de la deformación total, que es de mm, de acuerdo a la Tabla 2a. Es decir la estructura se recuperó en un 95%, transcurrido 20 min. (después del retiro de la sobrecarga de un camión) y en un 99.5%, transcurridos 20 min. (después del retiro de la sobrecarga de dos camiones). Los valores de las deformaciones máximas determinadas en la prueba al finalizar el primer ciclo de carga y medidas después de la estabilización, son menores a la máxima calculada en el modelo, ajustado con esas mismas cargas. De acuerdo a la información presentada en la Tabla 3a las deformaciones obtenidas en la prueba representan el 77.53% y el 81.49% de la deformación generada por el modelo (para el caso de uno y dos camiones cargados, respectivamente). Dicho en otras palabras, las magnitudes de las deformaciones reales, fueron un 22.47% y un 18.51% menores a las teóricas (ver Tabla 3a), cumpliéndose con lo esperado. Los valores permitidos para la relación flecha/luz (f/l) son del orden de f/l<1/500, es decir, En la Tabla 3a, la relación f/l obtenida durante la prueba para un camión cargado es de y para dos camiones cargados (que es la condición más desfavorable) de Ambos resultados son menores a las generadas por el modelo, las cuales son y Los resultados obtenidos durante la prueba y los calculados por el modelo son mucho menores al valor permitido de 1/500. En el ensayo se controló el aparecimiento de fisuras en las vigas longitudinales, dichos elementos no presentaron fisuras pero si se observaron en las juntas existentes entre los topes sísmicos y las vigas longitudinales, estas fueron ocasionadas por el movimiento que experimentaron las vigas al soportar el peso de los camiones, ya que los topes sísmicos, por estar unidos a ellas, las restringen de cualquier movimiento en su dirección transversal. Los esfuerzos generados en la estructura, al soportar la totalidad de la carga proveniente de ambos camiones (54.75 Ton), y medidos mediante el arreglo de las galgas extensométricas, son menores calculados con el Software AVWIN98 en un 28.58% (ver Tabla 4b). No se observaron signos de agotamiento de la capacidad resistente de la estructura. 7

8 CONCLUSIONES. La concepción del modelo matemático creado mediante el software AVWIN98 es básicamente la misma usada en la creación del modelo generado en el Sap2000. Esto se comprueba al observar los resultados de las deformaciones y momentos flexionantes generados en la estructura por las cargas externas aplicadas (ver Tablas 3b y 4a), los cuales son esencialmente del mismo orden, observándose una variación del 5.04% y 12.12% respectivamente. La variación de los resultados por ambos programas se debe principalmente a la diferencia en la distribución de carga, la cual se ve afectada por la variación en la discretización de los modelos. Los resultados obtenidos a partir de la prueba de carga en campo cumplieron con los requisitos indicados en los criterios de aceptación de la obra, presentados en el Manual for Condition Evaluation of Bridges de la AASHTO. Por tanto se da por aceptada la obra en cuanto a seguridad y funcionamiento para la carga viva vehicular con la que fue diseñada (HS- 20). AGRADECIMIENTOS. Se agradece a las distintas instituciones que apoyaron esta investigación: Universidad de El Salvador (UES) a través de Escuela de Ingeniería Civil, Fundación Padre Arrupe de El Salvador, Ministerio de Obras Públicas(MOP), a través de la Unidad de Investigación y Desarrollo Vial (UIDV-VMOP), Unidad de Planificación Vial (UVP-MOP),Unidad de Mantenimiento Vial (UMV-MOP), Fondo de Conservación Vial (FOVIAL), Constructora Linares S.A. de C.V. y personal directamente involucrado: el Ing. Guillermo Candela y el Br. Marvin Cardoza. REFERENCIAS. 1 American Association of State Highway and Transportation Officials. LRFD Bridge Design Specifications. Second Edition. Washington D.C. USA American Association of State Highway and Transportation Officials. Manual for Condition Evaluation of Bridges. Second Edition. Washington D.C. USA Barker, Richard M.; Puckett, Jay A.; Design of Highway Bridges. A Wiley-Interscience Publication, New York, USA Dirección General de Carreteras de España. Pruebas de Carga en Puentes de Carretera. España. Marzo Gómez Penagos, Antonio; Arias Lewing, Germán. Anotaciones sobre Pruebas de Carga en Puentes. Consultoría Colombiana S.A National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, National Research Council. Manual for Bridge Rating Through Load Testing. Washington D.C. USA