“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

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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.

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“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.

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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. 4.2.

Crecimiento de grieta. .................................................................................... 38

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. 5.3.2.

Verificación de espesores de soldadura filete ......................................... 49

Ensayos No Destructivos ................................................................................ 49

5.3.2.1.

Medidor de espesor remanente de acero estructural .............................. 49 4

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. acero.

Ensayo de estimación de la resistencia a la corrosión atmosférica del 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

5

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 6

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 7

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. 7.8.

Fatiga acompañada de corrosión................................................................. 140

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

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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 9

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 10

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 11

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 12

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

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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. 14

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 15

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 16

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 × 5mm 3) 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:

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

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 pretensados 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). 18

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

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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

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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 21

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). 22

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. 23

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.

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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 25

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 26

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 27

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 28

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 29

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 30

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 31

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.

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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.

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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).

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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.

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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. 36

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)

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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)

𝑑𝑎

Donde: 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).

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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 39

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.

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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.

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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 42

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 43

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.

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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

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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.)

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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.

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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 5.6 Apoyo tipo balancín de acero. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012

Figura 5.5 Apoyo tipo rodillo de acero. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012

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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

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.

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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).

Figura 5.10 Equipo para medir el espesor remanente de acero. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

Figura 5.9 Equipo para medir el espesor remanente de acero. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 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 5.11 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.

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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 rojoblanco 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.

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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 5.12 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

Figura 5.13 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

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Figura 5.14 Ensayo tintas penetrantes puente Orito, Regional Putumayo. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

Figura 5.15 Ensayo tintas penetrantes. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

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)

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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).

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.

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.

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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.

Figura 5.18 Equipo Quantum QBT+2 y falla en la soldadura para prueba de ultrasonido. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

Figura 5.19 Realización de la prueba de ultrasonido. Regional Huila. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

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 5.21 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.

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.

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Figura 5.22 .Zona de extracción de muestras del Puente Cajamarca, justo después del uso del oxicorte. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

Figura 5.23 Zona reparada y pintada, para evitar la producción de discontinuidades Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 2012.

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).

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Figura 5.25 Muestra de ensayo de contenido químico y tensión. Fuente Muñoz E., Ingeniería de puentes, 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.

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).

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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 58

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.

59

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.

60

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 61

(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)

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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.

63

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). Numero de ciclos Rango de Esfuerzos presentes para este rango Relación αi. de la simulación. de esfuerzos α1= n1/Na α2= n2/Na … αi= n2/Na

S1 S2 … Si

n1 n2 … ni

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: 𝑛

Daño = ∑𝑛𝑖=1 𝑁𝑖

𝑖

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 𝛼2 ∗ 𝑁2 𝛼𝑖 ∗ 𝑁𝑖 + +⋯+ 𝑐 𝑐 𝑐 ( 𝑚) ( 𝑚) ( 𝑚) 𝑆1 𝑆2 𝑆𝑖

Haciendo una simplificación de términos lo anterior se puede expresar como: 𝐷=

𝑁𝑎 [𝛼 𝑆 𝑚 + 𝛼2 𝑆2𝑚 + ⋯ + 𝛼𝑖 𝑆𝑖𝑚 ] 𝑐 1 1

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 [𝛼1 𝑆1𝑚 + 𝛼2 𝑆2𝑚 + ⋯ + 𝛼𝑖 𝑆𝑖𝑚 ]

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

64

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. r∗N

t=

T Log(b(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. 𝑛 e) Calcular el factor de acumulación de daño por fatiga D igual ∑ 𝑁𝑖 Ni / Ni para esos “pasajes equivalentes tren de carga”.

𝑖

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 65

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.

66

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.

67

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.

68

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. 69

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 ChocóColombia (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.

70

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. 71

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. 72

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, 73

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.

74

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

75

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.

76

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.

77

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.

78

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.

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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:

Figura 7.1 Ubicación del puente Quebrada Blanca. Fuente propia

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. 80



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. 81

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:

82

PUNTO No. 1: Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el arco (ver figura 7.2).

Figura 7.2 Limpieza inicial de Soldadura de Filete al terminar el pendolón y el arco para END.

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.

Figura7.3 7.3 Aplicación de tintas penetrantes. Figura

Figura 7.4 Inspección y evaluación de 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.

83

PUNTO No. 2: A-Nudo inferior; Aplicaciones de soldadura sobre las diagonales (2):

Figura 7.6 Verificación soldadura cara anterior.

Figura 7.8 Verificación soldadura cara posterior.

Figura 7.5 Limpieza del elemento del cordón inferior.

Figura 7.7 Falta de llenado con material de aporte en la soldadura.

84

Figura 7.9 Soldadura en la cartela vertical con apariencia irregular.

Figura 7.10 Soldadura con socavado excesivo.

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 7.11 Garganta insuficiente 40 mm.

Figura 7.12 Discontinuidades en la soldadura de 15 mm.

85

Figura 7.13 Garganta insuficiente 15 mm.

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 7.15 Acumulación de agua y vegetación en las diagonales del cordón inferior por mal estado de las juntas.

Figura 7.14 Verificación de soldaduras.

86

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.

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.

87

PUNTO No 4; Parte inferior de la Junta de la calzada.

Figura 7.20 Corrosión producida por entrada permanente de aguas pluviales.

Figura 7.22 Corrosión en vigas longitudinales.

Figura 7.19 Vigas transversales y longitudinales presentan corrosión.

Figura 7.21 Corrosión en vigas transversales.

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.

88

PUNTO No.5; Diagonales al cajón inferior;

Figura 7.24 Diagonales del cordón cuyas soldaduras presentaron socavado excesivo y convexidad excesiva.

Figura 7.25 Soldaduras de filete que presentan socavado excesivo y convexidad excesiva.

Figura 7.23 Diagonales del cordón inferior cuyas soldaduras presentaron garganta insuficiente.

Figura 7.26 Soldaduras de filete vertical que muestran convexidad excesiva.

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.

89

PUNTO No 6; Refuerzo superior del ARCO;

Figura 7.27 Verificación de soldaduras en el elemento de arco.

Figura 7.28 Verificación del refuerzo superior en el elemento de arco.

Figura 7.29 Soldadura a tope en el refuerzo del arco presenta sanidad y buena apariencia.

Figura 7.30 Verificación de soldaduras a tope en el elemento de 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.

90

PUNTO No 7; Refuerzo vertical del Arco:

Figura 7.31 Refuerzo vertical del arco.

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.

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.

91

PUNTO No. 8: Refuerzos en el Arco:

Figura 7.35 Limpieza inicial y secado de la soldadura.

Figura 7.37 Aplicación del Líquido Penetrante en la superficie de interés.

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.

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.

92

PUNTO No. 9: Punto que presenta oxidación sobre el arco.

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.

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.

93

PUNTO No. 10: Base de los rigidizadores.

Figura 7.41 Base de los rigidizadores.

Figura 7.40 Soldaduras de las bases de los rigidizadores se encuentran en buen estado.

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 7.42 Apoyo tipo balancín completamente deformado.

94

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

Figura 7.43 Deformación de la aleta inferior del elemento de arco remachado.

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 7.44 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).

95

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

Figura 7.46 Cara superior del elemento de arco con lámina de acero con soldadura de filete discontinua

Figura 7.47 Cara inferior del elemento de arco con lámina de acero con soldadura de filete discontinua.

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 7.48 Viga transversal en “I” del arco presenta una deformación por colisión.

96

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

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.

Figura 7.50 Las barras de acero de alta resistencia presentan asimetría y un grado de leve de corrosión..

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.

97

PUNTO No. 17: Pendolones

Figura 7.51 Pandeo en los pendolones del centro de la luz.

Figura 7.52 Pandeo en los pendolones del centro de la luz con falta de alineación de los cables.

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).

98

Se evidencio la falta de alineación de los cables y pendolones, además de corrosión en los mismos. Figura 7.53 Soldaduras de filete en las uniones verticales del refuerzo vertical presentan, pierna insuficiente, socavado excesivo y oxidación fuerte.

Figura 7.54 Soldaduras de filete en la base y en las uniones verticales, muestran garganta 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 (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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

103

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.

104

PUNTO No. 20: Sobrecarga en el puente Quebrada Blanca (ver figuras 7.66 y 7.67).

Figura 7.66 Tres Camiones C3-S2 represados en el puente.

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 7.67 Sobrecarga en el puente Quebrada Blanca con camiones tipo C3-S2 y otros en ambos sentidos.

105

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

106

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

107

Las propiedades del Acero se describen en la figura 7.72.

Figura 7.72 Definición de las propiedades del Acero en SAP 2000

108

Las propiedades del Concreto se describen en la figura 7.73.

Figura 7.73 Definición de las propiedades del Concreto en SAP 2000

109

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

110

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

111

El cordón inferior (ver figura 7.81) está conformado por 2 ángulos milímetros.

de 127x127x13

Figura 7.77 Diseño del cordón inferior en SAP 2000

112

Las diagonales (ver figura 7.82) están conformadas por 2 ángulos de 76x76x8 milímetros.

Figura 7.78 Diseño de las diagonales en SAP 2000

113

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

114

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

115

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

116

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).

117

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 20032011. 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.

118

Tabla 7.1 Tránsito Promedio Diario del Puente Quebrada Blanca TPD Puente Quebrada Blanca (2012) Autos 33073 57,26% 57%

8251 vehículos/día Buses Camiones 4711 19972 8,16% 34,58% 8% 35%

Total 57756 100% 100%

Tabla 7.2 Distribución porcentual de Camiones según el TPD del Puente Quebrada Blanca

C-2P 4806 24,06% 24%

Camiones de Conteo (2012) Total Semanal y Distribución Porcentual C-2G C-3-4 C-5 >C-5 TOTAL 3672 1732 5258 4504 19972 18,39% 8,67% 26,33% 22,55% 100% 18% 9% 26% 23% 100%

La clasificación de los camiones se realizó de la siguiente manera:     

C-2P: C-2G: C-3-4: C-5: >C-5:

Camiones pequeños de dos ejes Camiones grandes de dos ejes Camiones entre tres y cuatro ejes Camiones de cinco ejes 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.

119

Tabla 7.3 Tasa de crecimiento anual producto del ADTT % Año TPD Camiones

ADTT

2003 4514 2004 5070 2005 5568 2006 6258 2007 6869 2008 6973 2009 7837 2010 7882 2011 7997 2012 8251 Total promedio

947,94 1216,80 1447,68 1564,50 1717,25 2022,17 2351,10 2285,78 2399,10 2887,85 1884,02

21 24 26 25 25 29 30 29 30 35

Lineal (ADTT) 998,56 1196,08 1393,60 1591,12 1788,64 1986,16 2183,68 2381,20 2578,72 2776,24

Tasa de crecimiento (%) 0 19,780 16,514 14,173 12,414 11,043 9,945 9,045 8,295 7,660 12,097

De esta proyección lineal promedio se obtiene que el 12.09%, corresponde a la tasa de crecimiento anual. Comportamiento histórico del TPD para tránsito pesado

Tránsito Promedio Diario Pesado

3500 y = 197,52x - 394634 R² = 0,9714

3000 2500 2000

ADTT

1500

Lineal (ADTT)

1000 500 0 2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

Año de Registro

Figura 7.85 Comportamiento histórico del ADTT

120

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.

121

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.

122

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).

123

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.

124

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. 125

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/cm 2 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. 126

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.

Posición 1 2 . . 370 371 372 373 374 375 376 377

Esfuerzo 2

Kg/cm 0 -4,5201389 . . 371,67543 308,06518 158,2053 48,628404 -67,879048 -219,11242 -287,493 -260,81722

Pendiente (m) -4,5201389 . . 64,050791 -63,610249 -149,85987 -109,5769 -116,50745 -151,23337 -68,380577 26,675777

Eval

Cambio

DELTA-S

-1 . . 1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1

. . 0 1 0 0 0 0 0 1

. . 0 371,67543 0 0 0 0 0 -287,493

Rangos de Esfuerzo . . .

659,16842

Esfuerzos en Δt = 100 s Diagonal Puente Quebrada Blanca

450

Esfuerzo (Kg/cm2)

350 250 150 50 -50 400

420

440

460

480

500

-150

-250 -350

-450

Tiempo (s) Figura 7.96 Diagonal, esfuerzo vs tiempo en Δt= 100 s

127

Tabla 7.4 Elemento Diagonal F-104 Si kg/cm2 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

1000

Si Ksi 0,99561727 1,99123453 2,9868518 3,98246907 4,97808633 5,9737036 6,96932087 7,96493813 8,9605554 9,95617267 10,9517899 11,9474072 12,9430245 13,9386417 14,934259 15,9298763

Ciclos

α

565 222 129 78 56 46 78 74 108 78 39 4 0 0 1 0 1478

0,38227334 0,15020298 0,08728011 0,05277402 0,03788904 0,03112314 0,05277402 0,05006766 0,07307172 0,05277402 0,02638701 0,00270636 0 0 0,00067659 0 100%

Esfuerzos vs Tiempo Diagonal Puente Quebrada Blanca

800

400 200 0 -200

1 179 357 535 713 891 1069 1247 1425 1603 1781 1959 2137 2315 2493 2671 2849 3027 3205 3383 3561 3739 3917 4095 4273 4451 4629 4807 4985 5163 5341

ESFUERZO Kg/cm2

600

-400 -600

Tiempo (s) Figura 7.97 Diagonal, esfuerzo vs tiempo

128

Tabla 7.5 Elemento Cordón Inferior F-1866

800

Si kg/cm2

Si Ksi

70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

0,99561727 1,99123453 2,9868518 3,98246907 4,97808633 5,9737036 6,96932087 7,96493813 8,9605554 9,95617267 10,9517899 11,9474072 12,9430245 13,9386417 14,934259 15,9298763

Ciclos

α

236 93 114 146 109 89 117 152 112 29 1 0 0 1 0 0 1199

0,19683069 0,07756464 0,09507923 0,12176814 0,09090909 0,07422852 0,09758132 0,12677231 0,09341118 0,02418682 0,00083403 0 0 0,00083403 0 0 100%

Esfuerzos vs Tiempo Cordón Inferior Puente Quebrada Blanca

600

Esfuerzo Kg/cm2

400 200

-200

1 179 357 535 713 891 1069 1247 1425 1603 1781 1959 2137 2315 2493 2671 2849 3027 3205 3383 3561 3739 3917 4095 4273 4451 4629 4807 4985 5163 5341

0

-400 -600

Tiempo (s)

Figura 7.98 Cordón Inferior, esfuerzo vs tiempo

129

Tabla 7.6 Elemento Viga transversal F-1425 Si kg/cm2 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

20

Si Ciclos Ksi 0,99561727 1679 1,99123453 0 2,9868518 0 3,98246907 0 4,97808633 0 5,9737036 0 6,96932087 0 7,96493813 0 8,9605554 0 9,95617267 0 10,9517899 0 11,9474072 0 12,9430245 0 13,9386417 0 14,934259 0 15,9298763 0 1679

α 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Esfuerzos vs Tiempo Viga Transversal Puente Quebrada Blanca

10

1 185 369 553 737 921 1105 1289 1473 1657 1841 2025 2209 2393 2577 2761 2945 3129 3313 3497 3681 3865 4049 4233 4417 4601 4785 4969 5153 5337

Esfuerzo Kg/cm2

0

-10

-20

-30

-40

-50

Tiempo (s) Figura 7.99 Viga transversal, esfuerzo vs tiempo

130

Tabla 7.7 Elemento Arco F-1826 Si kg/cm2 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

150

Si Ksi 0,99561727 1,99123453 2,9868518 3,98246907 4,97808633 5,9737036 6,96932087 7,96493813 8,9605554 9,95617267 10,9517899 11,9474072 12,9430245 13,9386417 14,934259 15,9298763

Ciclos

α

412 768 428 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1608

0,25621891 0,47761194 0,26616915 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Esfuerzos vs Tiempo Arco Puente Quebrada Blanca

50 0

1 163 325 487 649 811 973 1135 1297 1459 1621 1783 1945 2107 2269 2431 2593 2755 2917 3079 3241 3403 3565 3727 3889 4051 4213 4375 4537 4699 4861 5023 5185 5347

Kg/cm2

Esfuerzo

100

-50

-100 -150

Tiempo (s) Figura 7.100 Arco, esfuerzo vs tiempo.

131

Tabla 7.8 Elemento Cordón superior F-2627 Si kg/cm2 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

80

Si Ksi 0,99561727 1,99123453 2,9868518 3,98246907 4,97808633 5,9737036 6,96932087 7,96493813 8,9605554 9,95617267 10,9517899 11,9474072 12,9430245 13,9386417 14,934259 15,9298763

Ciclos

α

1295 0,72346369 298 0,16648045 197 0,11005587 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1790 1

Esfuerzos vs Tiempo Cordon Superior Puente Quebrada Blanca

60 40

0

-20

1 163 325 487 649 811 973 1135 1297 1459 1621 1783 1945 2107 2269 2431 2593 2755 2917 3079 3241 3403 3565 3727 3889 4051 4213 4375 4537 4699 4861 5023 5185 5347

Esfuerzo Kg/cm2

20

-40 -60

-80 -100 -120

Tiempo (s) Figura 7.101 Cordón superior, esfuerzo vs tiempo.

132

Tabla 7.9 Elemento Pendolón F-50 Si kg/cm2 70 140 210 280 350 420 490 560 630 700 770 840 910 980 1050 1120

200

Si Ciclos α Ksi 0,99561727 1138 0,49521323 1,99123453 711 0,30939948 2,9868518 445 0,19364665 3,98246907 4 0,00174064 4,97808633 0 0 5,9737036 0 0 6,96932087 0 0 7,96493813 0 0 8,9605554 0 0 9,95617267 0 0 10,9517899 0 0 11,9474072 0 0 12,9430245 0 0 13,9386417 0 0 14,934259 0 0 15,9298763 0 0 2298 1

Esfuerzos vs Tiempo Pendolón Puente Quebrada Blanca

150

ESFUERZO Kg/cm2

100 50

1 163 325 487 649 811 973 1135 1297 1459 1621 1783 1945 2107 2269 2431 2593 2755 2917 3079 3241 3403 3565 3727 3889 4051 4213 4375 4537 4699 4861 5023 5185 5347

0

-50 -100 -150

Tiempo (s)

Figura 7.102 Pendolón, esfuerzo vs tiempo

133

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 134

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 K-S Mínimo Máximo Media Moda Mediana Desviación est.

Normal 0.077 -Infinito +Infinito 299.8415 299.8415 299.8415 202.53

Figura 7.104 Distribución Normal – Cordón Inferior

135

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 136

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

137

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

138

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 Diagonal de Entrada Cordón inferior Viga transversal Arco Cordón superior Pendolón

Número de ciclos 2,32E+07 2,07E+07 3,76E+09 3,74E+08 8,26E+08 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. 10

m 2,88

Log ( c ) 9,57

c 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.

139

Tabla 7.11 Resultados del cálculo del número de años necesarios para generar mecanismos de fatiga en los elementos estructurales. VIDA REMANENTE ANTES DE FATIGA (Años) Diagonal 11,47 Cordón Inferior 10,75 Viga Transversal 53,60 Arco 33,40 Cordón Superior 40,30 Pendolón 36,01 Elemento Estructural

RESULTADOS ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA INICIO PROBABLE DE PROCESOS DE FATIGA EN 12,60 AÑOS ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA ALTA PROBABILIDAD QUE HAYA INICIADO PROCESO DE FATIGA

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)

140

Tabla 7.12 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural diagonal de entrada. Elemento Estructural Diagonal de Entrada VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Diagonal Puente Quebrada Blanca

Vida Remanente (Años)

15,00

10,00

5,00 Datos Lineal (Datos) 0,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.109 Vida Remanente vs Corrosión Diagonal de entrada.

141

Tabla 7.13 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural cordón inferior.

Elemento Estructural Cordón Inferior VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Cordón inferior Puente Quebrada Blanca

Vida Remanente (Años)

15,00

10,00

5,00 Datos Lineal (Datos) 0,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.110 Vida Remanente vs Corrosión Cordón inferior.

142

Tabla 7.14 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural viga transversal.

Elemento Estructural Viga Transversal VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Viga Transversal Puente Quebrada Blanca Vida Remanente (Años)

55,00

50,00 Datos Lineal (Datos) 45,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.111 Vida Remanente vs Corrosión Viga transversal.

143

Tabla 7.15 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural de arco.

Elemento Estructural Arco VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Arco Puente Quebrada Blanca

Vida Remanente (Años)

35,00

30,00

Datos

25,00

Lineal (Datos) 20,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.112 Vida Remanente vs Corrosión en el Arco.

144

Tabla 7.16 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural cordón superior.

Elemento Estructural Cordón Superior VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente (Años)

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Cordón Superior Puente Quebrada Blanca

40,00

Datos 35,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.113 Vida Remanente vs Corrosión Cordón Superior.

145

Tabla 7.17 Vida remanente a fatiga con corrosión del elemento estructural pendolón. Elemento Estructural Pendolón VIDA REMANENTE % ANTES DE FATIGA CORROSION (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

Vida Remanente a Fatiga vs Corrosión Cordón Superior Puente Quebrada Blanca

Vida Remanente (Años)

40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 Datos

15,00 10,00 0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

50%

% Corrosión

Figura 7.114 Vida Remanente vs Corrosión Pendolón.

146

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

147

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

148

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

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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

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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

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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

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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

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Figura 7.121 Propiedades dinámicas de la combinación de los elementos estructurales

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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 155

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.

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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 157

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 158

una vida remanente de fatiga aproximada que se usará en las actividades de prioritizacion del mantenimiento de puentes en arco.

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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. 160

También se sugiere la obtención de la curva S-N para el metal base de las conexiones y elementos principales de los puentes.

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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

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ANEXO 2 CARTA DE AUTORIZACIÓN DE LOS AUTORES (Licencia de uso) Bogotá, D.C., 5 de Junio de 2015 Señores Biblioteca Alfonso Borrero Cabal S.J. Pontificia Universidad Javeriana Cuidad Los suscritos: DARIO ALFONSO MOLANO SANCHEZ

, con C.C. No , con C.C. No , con C.C. No

79859037

En mi (nuestra) calidad de autor (es) exclusivo (s) de la obra titulada: EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE CORROSION (por favor señale con una “x” las opciones que apliquen) Tesis doctoral Trabajo de grado X Premio o distinción: Si No cual: presentado y aprobado en el año 2015 , por medio del presente escrito autorizo (autorizamos) a la Pontificia Universidad Javeriana para que, en desarrollo de la presente licencia de uso parcial, pueda ejercer sobre mi (nuestra) obra las atribuciones que se indican a continuación, teniendo en cuenta que en cualquier caso, la finalidad perseguida será facilitar, difundir y promover el aprendizaje, la enseñanza y la investigación. En consecuencia, las atribuciones de usos temporales y parciales que por virtud de la presente licencia se autorizan a la Pontificia Universidad Javeriana, a los usuarios de la Biblioteca Alfonso Borrero Cabal S.J., así como a los usuarios de las redes, bases de datos y demás sitios web con los que la Universidad tenga perfeccionado un convenio, son: AUTORIZO (AUTORIZAMOS) 1. La conservación de los ejemplares necesarios en la sala de tesis y trabajos de grado de la Biblioteca. 2. La consulta física (sólo en las instalaciones de la Biblioteca) 3. La consulta electrónica – on line (a través del catálogo Biblos y el Repositorio Institucional) 4. La reproducción por cualquier formato conocido o por conocer 5. La comunicación pública por cualquier procedimiento o medio físico o electrónico, así como su puesta a disposición en Internet 6. La inclusión en bases de datos y en sitios web sean éstos onerosos o gratuitos, existiendo con ellos previo convenio perfeccionado con la Pontificia Universidad Javeriana para efectos de satisfacer los fines previstos. En este evento, tales sitios y sus usuarios tendrán las mismas facultades que las aquí concedidas con las mismas limitaciones y condiciones

SI

NO

X X X X X

X

De acuerdo con la naturaleza del uso concedido, la presente licencia parcial se otorga a título gratuito por el máximo tiempo legal colombiano, con el propósito de que en dicho lapso mi

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(nuestra) obra sea explotada en las condiciones aquí estipuladas y para los fines indicados, respetando siempre la titularidad de los derechos patrimoniales y morales correspondientes, de acuerdo con los usos honrados, de manera proporcional y justificada a la finalidad perseguida, sin ánimo de lucro ni de comercialización. De manera complementaria, garantizo (garantizamos) en mi (nuestra) calidad de estudiante (s) y por ende autor (es) exclusivo (s), que la Tesis o Trabajo de Grado en cuestión, es producto de mi (nuestra) plena autoría, de mi (nuestro) esfuerzo personal intelectual, como consecuencia de mi (nuestra) creación original particular y, por tanto, soy (somos) el (los) único (s) titular (es) de la misma. Además, aseguro (aseguramos) que no contiene citas, ni transcripciones de otras obras protegidas, por fuera de los límites autorizados por la ley, según los usos honrados, y en proporción a los fines previstos; ni tampoco contempla declaraciones difamatorias contra terceros; respetando el derecho a la imagen, intimidad, buen nombre y demás derechos constitucionales. Adicionalmente, manifiesto (manifestamos) que no se incluyeron expresiones contrarias al orden público ni a las buenas costumbres. En consecuencia, la responsabilidad directa en la elaboración, presentación, investigación y, en general, contenidos de la Tesis o Trabajo de Grado es de mí (nuestro) competencia exclusiva, eximiendo de toda responsabilidad a la Pontifica Universidad Javeriana por tales aspectos. Sin perjuicio de los usos y atribuciones otorgadas en virtud de este documento, continuaré (continuaremos) conservando los correspondientes derechos patrimoniales sin modificación o restricción alguna, puesto que de acuerdo con la legislación colombiana aplicable, el presente es un acuerdo jurídico que en ningún caso conlleva la enajenación de los derechos patrimoniales derivados del régimen del Derecho de Autor. De conformidad con lo establecido en el artículo 30 de la Ley 23 de 1982 y el artículo 11 de la Decisión Andina 351 de 1993, “Los derechos morales sobre el trabajo son propiedad de los autores”, los cuales son irrenunciables, imprescriptibles, inembargables e inalienables. En consecuencia, la Pontificia Universidad Javeriana está en la obligación de RESPETARLOS Y HACERLOS RESPETAR, para lo cual tomará las medidas correspondientes para garantizar su observancia. NOTA: Información Confidencial: Esta Tesis o Trabajo de Grado contiene información privilegiada, estratégica, secreta, confidencial y demás similar, o hace parte de una investigación que se adelanta y cuyos resultados finales no se han publicado. Si No X En caso afirmativo expresamente indicaré (indicaremos), en carta adjunta, tal situación con el fin de que se mantenga la restricción de acceso. NOMBRE COMPLETO DARIO ALFONSO MOLANO SANCHEZ

FACULTAD: INGENIERIA PROGRAMA ACADÉMICO:

No. del documento de identidad 79859037

FIRMA

MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL – ENFASIS ESTRUCTURAS

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ANEXO 3 BIBLIOTECA ALFONSO BORRERO CABAL, S.J. DESCRIPCIÓN DE LA TESIS O DEL TRABAJO DE GRADO FORMULARIO TÍTULO COMPLETO DE LA TESIS DOCTORAL O TRABAJO DE GRADO EVALUACION DE FATIGA DE PUENTES EXISTENTES EN ARCO EN ACERO QUE HAN SIDO REHABILITADOS Y/O PRESENTAN PROBLEMAS DE CORROSION SUBTÍTULO, SI LO TIENE

AUTOR O AUTORES Apellidos Completos MOLANO SANCHEZ

Nombres Completos DARIO ALFONSO

DIRECTOR (ES) TESIS O DEL TRABAJO DE GRADO Apellidos Completos Nombres Completos NUÑEZ MORENO FEDERICO ALEJANDRO

FACULTAD INGENIERIA PROGRAMA ACADÉMICO Tipo de programa ( seleccione con “x” ) Pregrado Especialización Maestría Doctorado X Nombre del programa académico MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL – ENFASIS ESTRUCTURAS Nombres y apellidos del director del programa académico LUIS FELIPE PRADA SARMIENTO TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: Magister en Ingeniería Civil con Énfasis en Estructuras PREMIO O DISTINCIÓN (En caso de ser LAUREADAS o tener una mención especial):

CIUDAD

AÑO DE PRESENTACIÓN DE LA TESIS NÚMERO DE PÁGINAS O DEL TRABAJO DE GRADO BOGOTA 2015 165 TIPO DE ILUSTRACIONES ( seleccione con “x” ) Tablas, gráficos y Dibujos Pinturas Planos Mapas Fotografías Partituras diagramas X X SOFTWARE REQUERIDO O ESPECIALIZADO PARA LA LECTURA DEL DOCUMENTO Nota: En caso de que el software (programa especializado requerido) no se encuentre licenciado por la Universidad a través de la Biblioteca (previa consulta al estudiante), el texto de la Tesis o Trabajo de Grado quedará solamente en formato PDF.

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MATERIAL ACOMPAÑANTE TIPO

DURACIÓN (minutos)

CANTIDAD

FORMATO CD

DVD

Otro ¿Cuál?

Vídeo Audio Multimedia Producción electrónica Otro Cuál? DESCRIPTORES O PALABRAS CLAVE EN ESPAÑOL E INGLÉS Son los términos que definen los temas que identifican el contenido. (En caso de duda para designar estos descriptores, se recomienda consultar con la Sección de Desarrollo de Colecciones de la Biblioteca Alfonso Borrero Cabal S.J en el correo [email protected], donde se les orientará). ESPAÑOL INGLÉS Fatiga

Fatigue

tensión

stress

fractura

fracture

grieta

crack

corrosión

corrosion RESUMEN DEL CONTENIDO EN ESPAÑOL E INGLÉS (Máximo 250 palabras - 1530 caracteres)

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. 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.

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