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U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S74
VULNERABILIDAD SSMICA DE PUENTES ENCOLOMBIA Y ESTRATEGIAS
PARAREHABILITACINLuis E. Yamin1 Daniel Ruiz 2
AbstractA general diagnosis concerning the seismic vulnerability
of the bridges in the main Network of Roads in Colombiais presented
based upon approximate appraisals. For those bridges identified as
critical in this appraisal, adetailed methodology is presented to
evaluate the seismic vulnerability considering simultaneously the
problemsof load capacity and residual useful life of the bridges
due to the large increase of truckload in relation with theoriginal
design loads. General criteria are given to define alternatives of
rehabilitation and/or reinforcement aswell as general guidelines in
order to choose the best solution.
Palabras ClavesPuentes, Vulnerabilidad ssmica,
rehabilitacin.
1. INTRODUCCINEn el ao 1996 se desarroll en el Instituto
Nacional deVas, INVIAS, el Sistema de Administracin de
Mante-nimiento de Puentes de Colombia, SIPUCOL [4], queincluye
entre otros los siguientes aspectos:
- Inventario general de puentes
- Inspeccin principal y especial de puentes
- Inspeccin y mantenimiento rutinarios
- Priorizacin de obras de reparacin y refuerzo
- Control de presupuestos, costos y avance de obras
- Diseo de obras de reparacin y refuerzo
- Evaluacin de la capacidad de carga de los puentes
El inventario general de puentes de Colombia cubretodos los
puentes administrados por el Instituto Nacio-
nal de Vas que al momento del Inventario totalizaron1958 puentes
incluyendo nicamente aquellas estruc-turas con ms de diez (10)
metros de luz.
El inventario incluye la siguiente informacin especfica:
- Nombre, nmero y localizacin de la estructura
- Tipo de cruce (carretera nacional, carretera conce-sionaria,
ro o corriente, paso peatonal, etc. )
- Fecha de construccin y posible reconstruccin
- Informacin de la capacidad de carga y camin dediseo
- Tipos de superestructura y subestructura incluyen-do
materiales de construccin
- Geometra de la estructura (ancho, longitud, gliboprincipal,
etc.)
1 Profesor Asociado de la Universidad de los Andes, Director del
Centro de Investigacin en Materiales y Obras Civiles,(CIMOC), de la
Universidad de los Andes.
2 Asistente Graduado de Investigacin del Centro de Investigacin
en Materiales y Obras Civiles, (CIMOC), de la Universidadde los
Andes.
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F a c u l t a d d e I n g e n i e r a 75
Cada uno de los grupos de puentes clasificados pormaterial se
pueden subclasificar a su vez segn el tipode estructura. Dentro de
los tipos de estructuras estnlos siguientes:
- Concreto reforzado: losa y vigas, losa maciza, cajn,arco y
otros.
- Concreto pre-esforzado: losa y vigas, cajn, otros
- Acero: armaduras, viga, provisionales, arco, otros
- Tipos de componentes de apoyo (apoyos rgidos,juntas de
expansin, etc.)
- Calificacin preliminar del estado del puente.
De acuerdo con el material principal de construccin, lospuentes
de la red vial se subdividen en puentes de con-
Figura 1 Clasificacin de los puentes de acuerdo con el tipo de
material
creto reforzado, de concreto pre-esforzado, acero-con-creto,
acero y otros que incluyen sin refuerzo, en concre-to ciclpeo,
piedra, madera y dems. La Figura 1 presentala distribucin relativa
de los puentes de la red vial prin-cipal de acuerdo con el tipo de
material principal.
- Acero-concreto, estructura transversal: armadura,losas-vigas,
arco, cajn, otros
- Acero-concreto, estructura longitudinal: simplemen-te apoyado,
viga continua, colgante, atirantado, ca-jn, viga Gerber, otros.
Las posibles clasificaciones de los puentes se presentaen forma
resumida en las Figura 2. La Figura 3 presentalas distribuciones
relativas en cada tipo de puente paralos diferentes materiales,
segn lo indicado.
TIPOS DE PUENTES
Arco Cercha
Superior Inferior Superior Inferior A travs
Viga con alma llena
Colgante Atirantado
ACERO-CONCRETOACERO OTROS
Mampostera Madera Piedra
CONCRETO
Viga preesforzada Viga cajn ArcoViga y placa
TIPOS DE PUENTES
Arco Cercha
Superior Inferior Superior Inferior A travs
Viga con alma llena
Colgante AtirantadoArco Cercha
Superior Inferior Superior Inferior A travsSuperior Inferior
Superior Inferior A travs
Viga con alma llena
Colgante Atirantado
ACERO-CONCRETOACERO OTROS
Mampostera Madera PiedraMampostera Madera PiedraMampostera
Madera Piedra
CONCRETO
Viga preesforzada Viga cajn ArcoViga y placa Viga preesforzada
Viga cajn ArcoViga y placa Viga preesforzada Viga cajn ArcoViga y
placa
Figura 2 Tipos de puentes de acuerdo con el material
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U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S76
La evaluacin preliminar de los puentes desarrolladopor el INVIAS
en el sistema SIPUCOL [4] se basa en unacalificacin del estado de
los diferentes elementos quecomponen el puente (tanto la
superestructura como lasubestructura) teniendo en cuenta la
importancia relati-va del elemento en el comportamiento global del
puen-te. La calificacin global de un puente vara entre 0 y 5,siendo
0 la calificacin que refleja el menor dao y 5 lacalificacin que
refleja un dao extremo, falla total oriesgo de falla total.
T ra b eC a j n
4 %
O tro1 %
L o sa /V iga s9 1 %
L o s a5 %
A rc o1 %
D IS T R IB U C I N D E L O S PU E N T E S D E C O N C R E TO S
E G N S U E S T R U C TU R A
PR OV IS ION A L2 3 %
O T R O S8 %
A R C O6 %
A R M A D U R A4 3 %
VIG A2 0 %
D IS T RIBU CIO N D E PU E NT E S D E AC E R O S E G N S U E S T
R UC T U R A
Figura 3 Distribuciones relativas en cada tipo de puente para
los diferentes materiales
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Nm
ero
de P
uent
e
Longitud de la luz (m)
DISTRIBUCIN DE LOS PUENTES DE CONCRETO SEGN SU LUZ TOTAL
No de Puentes 42 859 315 246 142 46 7 11
300
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Nm
ero
de P
uent
e
Calificacin
DISTRIBUCIN DE LOS PUENTES DE CONCRETO SEGN SU ESTADO
No de Puentes 111 413 718 328 83 1 28
0 1 2 3 4 5 Desconocido
0
50
1 00
1 50
2 00
2 50
3 00
3 50
4 00
4 50
Nm
ero
de P
uent
es
N o de C am io n es/d a (m )
D IS TR IB U C IN D E L O S PU EN TE S D E C O N C R ETOSEG N E
L TR F ICO
No d e Pue ntes 3 36 2 20 4 19 2 43 1 51 6 2 2 4 3 0 4 9 2 8 3 7
1 3 7 8
< 5 005 00 a 1 000
1 00 0 a
2 00 0
2 00 0 a
3 00 0
3 00 0 a
4 00 0
4 00 0 a
5 00 0
5 00 0 a
6 00 0
6 00 0 a
7 00 0
7 00 0 a
8 00 0
80 00 a
1 00 00
1 00 00 a
1 50 00
1 50 00 a
2 00 00
2 00 00 a
3 00 00
> 3 00 0 0
Por otro lado resulta de inters clasificar cada uno delos tipos
de puentes de acuerdo con tres variables fun-damentales que son la
longitud de la luz principal, eltrfico promedio diario y el estado
del puente. En lasFiguras 4 y 5 se presentan las anteriores
clasificacionespara los grupos de puentes de concreto (reforzados
ypre-esforzados) y de acero.
Figura 4Clasificacin de los puentes de concreto (reforzados y
pre-esforzados) de acuerdocon la longitud de la luz principal, el
trfico promedio diario y el estado delpuente
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F a c u l t a d d e I n g e n i e r a 77
El sistema de administracin de puentes organiza entonces todas
las actividades asociadas con los puentes de la redvial nacional.
El esquema siguiente resume las actividades asociadas con los
puentes. Los sombreados indican lasactividades para las cuales no
se han desarrollado an los procedimientos y documentacin necesarios
que norma-licen dichas actividades. Las dems actividades ya cuentan
con dicha documentacin y normalizacin.
Figura 5Clasificacin de los puentes de acero de acuerdo con la
longitud de la luz principal, el trficopromedio diario y el estado
del puente
0
5
10
15
20
25
Nm
ero
de P
uent
es
Longitud de la luz (m)
DISTRIBUCIN DE LOS PUENTES DE ACERO SEGN LA LUZ TOTAL
No de Puentes 0 5 8 6 8 23 10 2 2< 10 10 a 20 20 a 30 30 a 40
40 a 50 50 a100 100 a 200 200 a 300 > 300
0
5
10
15
20
25
Nm
ero
de P
uent
esCalificacin
DISTRIBUCIN DE LOS PUENTES DE ACERO SEGN SU ESTADO
No Puentes 6 9 21 19 7 0 3
0 1 2 3 4 5 d
0
2
4
6
8
1 0
1 2
1 4
1 6
1 8
2 0
Nm
ero
de
Pue
nte
s
N o de C a m io n e s /d a ( m )
D IS TR IB U C I N D E L O S P U E N T E S D E A C E R O S E G N
E L TR FIC O
N o d e P u e n te s 1 9 1 3 1 1 6 3 3 0 3 0 0 0 0 0 0
< 5 0 0
5 0 0 - 1 0 0 0
1 0 0 0 - 2 0 0 0
2 0 0 0 - 3 0 0 0
3 0 0 0 - 4 0 0 0
4 0 0 0 - 5 0 00
5 0 0 0 - 6 0 0 0
6 0 0 0 - 7 0 0 0
7 0 0 0 - 8 0 0 0
8 0 0 0 - 1 0 0 0 0
1 0 0 0 0 -
1 5 0 0 0
1 5 0 0 0 -
2 0 0 0 0
2 0 00 0 -
3 0 00 0
> 3 0 0 0 0
Figura 6Resumen de las actividades asociadas con los
puentes.
SUPERESTRUCTURA
SUBESTRUCTURA
Superficies de concreto y/o aceroBarandas y defensasProteccin de
taludesJuntasPavimentos asflticos
DISEO CONSTRUCCIN MANTENIMIENTO ESTUDIOS DECONCEPCIN
Y PLANEACIN
INSPECCIONES REHABILITACINEVALUACIN
CAPACIDAD DE CARGA
CAPACIDADSSMICA
CAPACIDAD DECRECIENTES
CARGA MXIMA FATIGA SOCAVACINAVALANCHA
CARGAS VERTICALES
CARGAS HORIZONTALES
REPARACION REFORZAMIENTO RECONSTRUCCINPRINCIPAL ESPECIAL
ACTIVIDADES ASOCIADAS A LOS PUENTES
SUPERESTRUCTURA
SUBESTRUCTURA
Superficies de concreto y/o aceroBarandas y defensasProteccin de
taludesJuntasPavimentos asflticos
DISEO CONSTRUCCIN MANTENIMIENTO ESTUDIOS DECONCEPCIN
Y PLANEACIN
INSPECCIONES REHABILITACINEVALUACIN
CAPACIDAD DE CARGA
CAPACIDADSSMICA
CAPACIDAD DECRECIENTES
CARGA MXIMA FATIGA SOCAVACINAVALANCHA
CARGAS VERTICALES
CARGAS HORIZONTALES
REPARACION REFORZAMIENTO RECONSTRUCCINPRINCIPAL ESPECIAL
ACTIVIDADES ASOCIADAS A LOS PUENTES
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2. METODOLOGIA DETALLADA PARA LAEVALUACION DE LA
VULNERABILIDADSISMICA Y CAPACIDAD DE CARGACon el fin de
estandarizar los procedimientos para laevaluacin de la
vulnerabilidad ssmica y capacidad decarga de los puentes de la red
vial nacional se ha defini-do una metodologa general la cual debe
aplicarse en sutotalidad en la medida de las posibilidades. La
metodo-loga definida a continuacin incluye diversas activida-des
que fueron implementadas sobre varios puentescomo se ilustra en la
referencia [9]:
1 Recopilacin de la informacin : la recopilacin de lainformacin
incluye la topografa general de la zonade los estribos del puentes,
la informacin geotcni-ca de pilas y estribos, el levantamiento
geomtrico ycaractersticas estructurales, propiedades de mate-riales
y dems informacin relacionada. Esta activi-dad incluye la
reconstruccin de los planos estruc-turales cuando estos no estn
disponiblesincluyendo el esquema de la cimentacin.
2 Pruebas de comportamiento: con el fin de garantizarque los
modelos analticos que se utilicen represen-tan de manera adecuada
el comportamiento real de laestructura se propone la realizacin de
tres tipos depruebas en el sitio que incluyen: aplicacin de car-gas
verticales conocidas, registro de vibracionesambientales o forzadas
con carga cclica y registrodel comportamiento ante efectos trmicos.
En todoslos casos se debe contar con la instrumentacin ade-cuada lo
cual incluye balanzas para pesaje, equipotopogrfico de alta
precisin, registro de deforma-ciones unitarias en elementos
seleccionados, senso-res de vibracin, excitador dinmico de
estructuras,termocuplas, deformmetros para medicin de
des-plazamientos, anchos de grietas y similares.
3 Inspeccin detallada: tiene por objetivo determinarla calidad y
el estado de los elementos estructuralesprincipales. Para el caso
del concreto se deben eva-luar los posibles efectos de corrosin o
deterioro ydeterminar las propiedades principales para el anli-sis
como son el mdulo elstico y la resistencia a lacompresin mediante
ensayos no destructivos o me-diante la recuperacin de ncleos. Para
el caso delacero se debe determinar igualmente las propieda-des
elsticas y de resistencia pero debe investigarsede manera detallada
el estado real de la estructurapara lo cual deben investigarse los
posibles estados
de corrosin, fisuras, deterioros, etc. En particulardeben
adelantarse ensayos radiogrficos, de tintaspenetrantes, partculas
magnticas y/o ultrasonido.Para el caso de puentes metlicos debe
estudiarse eleventual avance en los estados de fatiga
medianteestimaciones analticas de vida de servicio de mane-ra
conjunta con las evaluaciones anteriores.
4 Evaluacin de la vulnerabilidad ssmica y capacidadde carga:
incluye las actividades asociadas a la eva-luacin de la estabilidad
global de la estructura y a lamodelacin analtica de la estructura
para determinarel efecto de diferentes hiptesis de carga sobre
loselementos estructurales. La estabilidad global de laestructura
por su parte incluye la evaluacin de lasrestricciones a los
movimientos longitudinales ytransversales, los anchos de los apoyos
para evitarla prdida de soporte, la presencia de llaves de
cor-tante, conexiones entre tramos estructurales y otrosaspectos
relacionados. La modelacin analtica per-mitira contar con un modelo
analtico calibrado deacuerdo con las pruebas de comportamiento
realiza-das y que permitira evaluar los factores de sobrees-fuerzos
en los diferentes elementos estructurales antehiptesis de cargas
gravitacionales (capacidad decarga) e hiptesis de carga que
incluyan la cargassmica (vulnerabilidad ssmica estructural).
Simult-neamente dichos modelos permiten la evaluacin dela demanda
de deformacin y ductilidad, la capaci-dad de disipacin de energa de
la estructura, la ca-pacidad ante cargas horizontales (anlisis de
"Pus-hover") y en general las caractersticas delcomportamiento no
lineal de la estructura. Esta acti-vidad fue presentada a manera de
manual en las refe-rencias [6] y [7] y se basa en las referencias
[1], [2] y[3].
Con base en los anlisis de vulnerabilidad y capacidadde carga se
pueden establecer las medidas de rehabili-tacin y reforzamiento
necesarias para disminuir dichavulnerabilidad y minimizar el nivel
de daos esperado.Las medidas tpicas de rehabilitacin se presentan
amanera de manual en la referencia [8].
3. CASO DE ANALISIS: PUENTE "LUISIGNACIO ANDRADE"El puente Luis
Ignacio Andrade est ubicado en la po-blacin de Honda sobre el Ro
Magdalena y en unazona de amenaza ssmica intermedia con una
acelera-cin mxima de diseo a nivel de la roca base de 0.20 g.Se
trata de un puente de 140 m de luz principal sobre el
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F a c u l t a d d e I n g e n i e r a 79
ro. La estructura principal es colgante con vigas
longi-tudinales en armaduras de acero, vigas transversales
yviguetas de acero y tablero en concreto reforzado. Elpuente fue
sometido a varias pruebas de comporta-miento tales como aplicacin
de cargas gravitacionalesconocidas, registro de vibraciones
ambientales, excita-cin cclica y registro de la respuesta dinmica,
evalua-cin de la calidad de los materiales estructurales
princi-pales. El puente se instrument con acelergrafos dealta
sensibilidad, "strain gages" en elementos estructu-rales
principales, termocuplas y se llev un registro to-pogrfico durante
las diferentes pruebas realizadas.
Se realiz la inspeccin detallada del puente en especialdel
estado o posible avance de la corrosin en algunasuniones del cordn
inferior, haciendo nfasis en lasconexiones de la celosa a las
torres principales delpuente colgante. En las diversas pruebas
realizadasque incluyen ultrasonido, tintas penetrantes adems deuna
inspeccin visual detallada se encontr en generalque existan
problemas de porosidad, socavados y decordones irregulares en la
soldadura de armado delpuente. As mismo en algunos remaches se
observdesgaste generado por la corrosin.
Tambin se adelant un modelo analtico tridimensionalcalibrado con
las pruebas de comportamiento realiza-das. La Figura 7 presenta las
caractersticas generalesdel modelo desarrollado. La Figura 8
compara los resul-tados de la aplicacin de la carga en el puente
con losresultados equivalentes arrojados por el modelo. Tam-bin se
pudo comparar la respuesta dinmica del puen-te y del modelo ante la
carga cclica producida por unexcitador dinmico de estructuras (ver
Figura 9). Seevaluaron posteriormente los ndices de sobreesfuer-zos
de los diferentes elementos estructurales ante dife-rentes
situaciones de carga. Los ndices de sobrees-fuerzo correspondientes
a la situacin de carga crticade anlisis se presentan en la Figura
10.
A partir del anlisis de vulnerabilidad realizado se ade-lant el
diseo de las medidas de rehabilitacin y deuso con el fin de
subsanar las deficiencias que presen-taban algunos elementos
estructurales [5].
CONCLUSIONESCon base en la informacin disponible se establecen
lassiguientes conclusiones generales:
a De los 1958 puentes incluidos en la base de datos depuentes en
la red vial nacional, aproximadamente el
Figura 7. Caractersticas generales del modelo desarrolladopara
el puente "Luis Ignacio Andrade".
-0 .1 6
-0 .1 4
-0 .1 2
-0 .1
-0 .0 8
-0 .0 6
-0 .0 4
-0 .0 2
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 11 0 12 0 13 0 14 0
DEFO
RMA
CIO
N E
N M
ETRO
S
D e fle xi n ca lcula d a con S A P 2 00 0 D e fle xi n M e di d
a en C a m p o
Figura 8. Comparacin entre los resultados de la aplicacinde la
carga en el puente "Luis Ignacio Andrade" con losresultados
equivalentes arrojados por el modelo analticocomputacional.
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
Tiempo (seg) 1 seg/divisin
Ace
lera
cin
(g)
Respuesta medida en campo Respuesta del Modelo Analtico
Figura 9. Comparacin entre la respuesta dinmica delpuente y la
del modelo analtico computacional ante la cargacclica producida por
un excitador dinmico para el puente"Luis Ignacio Andrade"
Figura 10. Factores de sobreesfuerzo para la situacin decarga
crtica para el puente "Luis Ignacio Andrade"
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U N I V E R S I D A D D E L O S A N D E S80
66.1% se clasifican en primera instancia como de vul-nerabilidad
media o alta y el porcentaje restante comode vulnerabilidad
baja.
b En general los puentes en acero son los que presen-tan la
mayor vulnerabilidad ante cargas gravitaciona-les y ssmicas, de
acuerdo con los anlisis simplifica-dos realizados. No obstante debe
aclararse que dentrode la muestra estudiada se encontr que el 3% de
lospuentes corresponden a puentes de acero, mientras el88.3%
corresponde a puentes en concreto.
c El procedimiento detallado propuesto para evalua-cin de la
vulnerabilidad ssmica y capacidad de car-ga de los puentes de la
red vial permite simultnea-mente evaluar el estado estructural y
estudiar lasalternativas de rehabilitacin y reforzamiento.
d Los anlisis detallados de vulnerabilidad y capaci-dad de carga
desarrollados hasta el momento permi-ten prever la necesidad de
intervencin de un por-centaje alto de puentes de la red vial debido
al cambioradical en los trficos actuales en comparacin conlos de
diseo, la edad y estado de las estructuras y lafalta casi
generalizada de diseo sismorresistente enlos puentes de ms de 5 aos
de construidos.
REFERENCIAS1 American Association of State Highway and
Trans-
portation Officials (AASHTO). LRFD Bridge DesignSpecifications.
1994
2 Asociacin Colombiana de Ingeniera Ssmica. CdigoColombiano de
Diseo Ssmico de Puentes. 1995
3 CALTRANS. Seismic Design Criteria Version 1.1.1999.
4 Instituto Nacional de Vas (INVIAS). Sistema de Admi-nistracin
de Mantenimiento de Puentes de Colombia(SIPUCOL). 1996
5 Prospeccin Sondeos Instrumentacin S.A.(PSI). Estu-dio y Diseo
para la Rehabilitacin del puente Luis Ig-nacio Andrade de la red
Vial Nacional sobre el Ro Mag-dalena. 1998
6 Universidad de los Andes, Centro de Investigacin enMateriales
y Obras Civiles (CIMOC). Manual para laevaluacin de la capacidad de
carga y fatiga de elementosestructurales de puentes en acero.
Preparado para el Ins-tituto Nacional de Vas (INVIAS). Diciembre de
2000
7 Universidad de los Andes, Centro de Investigacin enMateriales
y Obras Civiles (CIMOC). Manual para laevaluacin de la
vulnerabilidad ssmica y recomendacio-nes para la rehabilitacin de
puentes. Preparado para elInstituto Nacional de Vas (INVIAS).
Diciembre de2000.
8 Universidad de los Andes, Centro de Investigacin enMateriales
y Obras Civiles (CIMOC). Manual para elreforzamiento y la
rehabilitacin de puentes. Preparadopara el Instituto Nacional de
Vas (INVIAS). Diciembrede 2000
9 Universidad de los Andes, Centro de Investigacin enMateriales
y Obras Civiles (CIMOC). Informe Final dela Fase III: Caso de
aplicacin de evaluacin, diagnsti-co, reforzamiento y rehabilitacin
de tres puentes carac-tersticos. Preparado para el Instituto
Nacional de Vas(INVIAS). Diciembre de 2000.
