Nuevo Código Colombiano de diseño de puentes – LRFD – NCP – 2014

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noticreto 125 julio / agosto 2014

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Nuevo Código Colombiano de diseño de puentes – LRFD – NCP – 2014En Colombia se utilizó la especificación americana AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges, hasta el año 1994, cuando el Gobierno Nacional encargó a la Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica –AIS– la tarea de producir un documento nacional que sirviera de reglamentación para los diseños de los puentes en el país. En 1995, la AIS, mediante convenio con el Ministerio del Transporte y el Instituto Nacional de Vías (Invías) publicó el Código Colombiano de Diseño Sísmico de Puentes – CCP 95, basado en la especificación AASHTO de 1992. En el año 2013, en convenio con Invías, la AIS desarrolló la nueva Norma Colombiana de Diseño de Puentes NCP-2014, basada esta vez en la especificación AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 6ª edición (2012), fundamentada en la filosofía LRFD que hoy se utiliza en muchos países para el diseño de todo tipo de estructuras. Aspectos relevantes de este nuevo documento son la actualización de los mapas colombianos de amenaza sísmica y la validación de la carga viva vehicular de diseño para la práctica colombiana.

Ingeniero Josué Galvis RamosAsociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, AIS

Los materiales, técnicas de construcción y mé-todos de análisis y diseño de puentes han evolucio-nado en respuesta a las crecientes necesidades de la humanidad. Hasta principios del siglo XIX, los puen-tes fueron diseñados y edificados por maestros de la construcción con procedimientos empíricos. El acele-rado desarrollo tecnológico y económico a partir de la Revolución Industrial –con la invención del hierro fundido y forjado, del acero, el concreto reforzado y preesforzado y con la aparición de la teoría de las estructuras y los conceptos de seguridad estructural– han impulsado un proceso evolutivo en los métodos de análisis, diseño y construcción de las estructuras. En los últimos años, la incorporación de la estadística y la teoría de las probabilidades al diseño han dado lugar a una filosofía de confiabilidad en la seguridad de las estructuras, que está siendo aplicada con acier-to a la planeación y construcción de puentes. Lo an-terior se ve reflejado en la expedición de normas y especificaciones basadas en la filosofía de diseño con

LA REVISTA DE LA TÉCNICA Y LA CONSTRUCCIÓN


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factores de carga y de resistencia LRFD (Load Resistant Factor Design) fundamentada en el uso confiable de los métodos estadísticos mediante procedimientos de fácil aplicación por los diseñadores de puentes.

La sociedad espera que los edificios, los puentes o cualquier otra estructura construida en su vecindad o en su área de influencia, sean seguros para quienes los usan, bajo el supuesto de que la falla sea un evento de muy escasa ocurrencia. Es decir, confía implícitamen-te en la pericia de los profesionales comprometidos en la planeación, diseño, construcción y mantenimiento de las estructuras que utiliza.

Los ingenieros estructurales dedican todos sus esfuerzos a llenar las expectativas de la sociedad sin perder de vista la economía y la funcionalidad de los proyectos. En los años recientes los ingenieros y los científicos trabajan conjuntamente para desarrollar métodos que den respuesta a los crecientes desafíos de la ingeniería. Aceptando que nada es absolutamen-te seguro, la discusión de seguridad puede darse en

términos de probabilidades de falla, aceptablemente pequeñas. Partiendo de esta premisa, la teoría de la confiabilidad surgió y ha llegado a ser parte de la cien-cia y la práctica de la ingeniería de hoy. Su aplicación se refiere no solo a la seguridad de las estructuras, sino también a las condiciones de servicio y a otras exigencias de los sistemas técnicos, sujetos a alguna probabilidad de falla.

En la historia de la construcción de los edificios y puentes han ocurrido muchas fallas. Con la expe-riencia de estos sucesos infortunados los ingenieros estructurales han desarrollado teorías y técnicas que permitan diseñar estructuras con márgenes de segu-ridad confiables, en la medida en que lo demandan las crecientes necesidades de la humanidad. Una de las teorías desarrolladas en los últimos años es la de la confiabilidad, herramienta fundamental en el de-sarrollo de nuevos métodos y filosofías del diseño estructural. En el caso de los puentes, la teoría de la confiabilidad ha permitido crear, evaluar y calibrar los modelos de carga viva que representan a las com-plejas y aleatorias cargas reales de los vehículos que circulan por las carreteras de todo el Mundo.

Las especificaciones AASHTO y la práctica colombianaEn buena parte del continente americano, el diseño de puentes se ha practicado teniendo como referencia de primera mano las especificaciones americanas AASHO (American Association of State Highway Officials) cuya pri-mera norma, Standard Specifications for Highway Bridges and Incidental Structures, fue publicada en 1931 y obtuvo amplio reconocimiento. Posteriormente se denominó AASHTO (American Association of State Highways and Transportation Officials) y se creó el AASHTO Highway Subcommittee on Bridges and Structures, autor y guardián de esta primera norma. El titulo original fue simplifica-do y en sus últimas ediciones periódicas, con intervalos aproximados de cuatro años, lo hemos conocido como Standard Specifications for Highway Bridges. Su edición más reciente, la 17ª, fue publicada en el año 2002.

La tecnología y los nuevos métodos de diseño de puentes han permitido que los usuarios de las estructuras hagan uso de estas con mayor confiabilidad. Cortesía agenCia naCional de infraestruCtura

Las características técnicas de los proyectos deben satisfacer a su vez la economía y funcionalidad de los mismos. Cortesía Wsdot



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En la introducción de la AASHTO LRFD, 6ª edi-ción, se expresa: “El volumen de conocimientos relacio-nados con el diseño de puentes de carretera ha crecido enormemente desde 1931 y continúa haciéndolo. La teoría y la práctica han evolucionado significativamente, refle-jando los avances de la investigación en el conocimiento de las propiedades de los materiales, sus mejoras, en el más racional y preciso análisis del comportamiento de las estructuras, en el advenimiento de los computadores y el rápido avance de su tecnología, en el estudio de los eventos externos que representan amenaza para los puentes, ta-les como eventos sísmicos, crecientes de los ríos y muchas otras áreas.”

En 1986, el subcomité de AASHTO encargado de estos asuntos manifestó interés por efectuar una evaluación de las especificaciones AASHTO vigentes, revisar las especificaciones y códigos extranjeros y, lo más importante, considerar las alternativas de filosofía de diseño a las especificaciones estándar que eran de uso corriente. El trabajo fue realizado identificando y enmendando vacíos, inconsistencias y algunos con-flictos. Y más aún, encontrando que la especificación no reflejaba los más recientes desarrollos de la filosofía de diseño con factores de carga y resistencia, LRFD. Este enfoque venía ganando terreno en otras áreas de la ingeniería estructural y en otras partes del Mundo como Canadá y Europa. Finalmente, AASHTO pu-blicó en 1994 su primera edición de especificaciones para diseño de puentes basada en la filosofía LRFD, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. Su más re-ciente publicación es la 6ª edición, de 2012.

Norma LRFD y norma estándarEn la especificación AASHTO, desde el comienzo y hasta los inicios de la década de los años 70, la única filosofía de diseño utilizada fue la conocida como “Diseño por esfuerzos de trabajo”, WSD (Working Stress Design). Esta metodología definía los esfuerzos admisibles como una fracción de la resistencia de un material determinado y requería que los esfuerzos de diseño calculados no exce-dieran los esfuerzos admisibles definidos. A comienzos de los años 70, la metodología WSD inició un proceso de evaluación para reflejar la variabilidad de ciertos tipos de carga, tales como las cargas vehiculares, las fuerzas sísmicas y de viento. Esto se logró ajustando unos fac-tores de diseño y dando lugar a una filosofía de dise-ño denominada “de factores de carga LFD” (Load Factor Design). Ambas filosofías, WSD y LFD, estaban contenidas en las ediciones de las especificaciones estándar AASHTO Standard Specifications for Highway Bridges.

La filosofía de diseño con factores de carga y de re-sistencia LRFD se basa en el uso confiable de los mé-todos estadísticos y define procedimientos fácilmente utilizables por los diseñadores de puentes.

Esta nueva filosofía resultó de considerar la varia-bilidad de las propiedades de los elementos estruc-turales y, de manera similar, la variabilidad de las cargas. La filosofía de diseño con factores de carga y de resistencia LRFD se basa en el uso confiable de los métodos estadísticos y define procedimientos fá-cilmente utilizables por los diseñadores de puentes.

Con la aparición de la especificación LRFD, en los años recientes los ingenieros de puentes han tenido que elegir entre las dos filosofías para hacer sus dise-ños, evitando aplicar combinaciones de ellas. En cada una de las dos modalidades, la AASHTO ha puesto numerosos documentos de ayuda a disposición de los ingenieros diseñadores.

La aleatoriedad de las cargas de servicio de los puentes.Cortesía Panhule

En la mayoría de países del continente americano, el diseño de puentes se ha realizado teniendo como referencia las especificaciones americanas AASTHO.Cortesía Wsdot



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Diseño por estados límiteEl diseño por estados límite es una aplicación acertada de los métodos estadísticos de diseño, en los cuales el énfasis está en la probabilidad de falla. Esta metodología ha sido adoptada en la mayoría de códigos de diseño de puentes.

Un estado límite es una condición más allá de la cual una estructura, o uno de sus componentes, no cumple la función para la cual fue diseñada. La meto-dología de diseño por estados límite es usada corrien-temente en diseño estructural y tiene dos caracterís-ticas básicas: 1) trata de considerar todos los estados límite posibles, y 2) está basada en métodos proba-bilísticos. Los estados límite deben estar suficiente-mente bien definidos, de tal manera que un diseñador sepa qué considera como aceptable o inaceptable. De mayor importancia es prevenir que se alcancen los estados límite, pero hay otras metas igualmente de-seables: funcionalidad, apariencia y economía. No es económico diseñar un puente para que ninguno de sus componentes falle. Por lo tanto, es necesario de-terminar cuál es el nivel de riesgo o probabilidad de falla aceptable.

El estado límite más simple es el de la falla de un componente bajo una carga particular aplicada. Esto depende de dos parámetros: la magnitud de la car-ga que afecta a la estructura, llamada el efecto de la carga, y la resistencia o esfuerzo del componente. Si el efecto de la carga excede la resistencia, entonces

el componente fallará. Sin embargo, la magnitud del efecto de la carga y la resistencia están sujetas a incer-tidumbres. Para cuantificar la incertidumbre asociada a la resistencia es necesario efectuar gran número de ensayos, útiles para calcular la resistencia promedio y alguna medida de su variación como la desviación estándar o el coeficiente de variación. Al número de muestras que caen dentro de un intervalo dado se le asigna una probabilidad de ocurrencia P. Igualmente, es posible obtener la curva de la función de densidad de probabilidad, la cual se asume que sigue una dis-tribución normal, ya que sus propiedades y área bajo la curva se encuentran tabuladas para facilitar su uso.

La determinación de un aceptable margen de se-guridad no está basada en la opinión de un solo in-dividuo. Para ello se confía en la experiencia y buen juicio de calificados y amplios grupos de ingenieros conformados por investigadores, consultores e inge-nieros comprometidos en el diseño y supervisión de puentes.

Calibración de la especificación colombiana LRFD para puentesEn la calibración de un código de diseño es posible uti-lizar muchas aproximaciones. Puede acudirse al buen juicio, a la adaptación de otros códigos, a la teoría de la confiabilidad estructural o a una combinación de todas estas aproximaciones. El buen juicio, sin embargo, pue-de dar lugar a subestimar o sobreestimar los parámetros.

La inclusión de especificaciones LRFD han permitido que los diseñadores estructurales puedan escoger entre ese método y el AASHTO para el diseño de puentes. Cortesía Wsdot



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Por lo general, la calibración por adaptación se hace cuando hay un cambio fundamental en la filo-sofía de diseño o en el formato del código. Los pa-rámetros de un nuevo código deben obtenerse de tal manera que los diseños resultantes sean esencialmen-te los mismos que se lograrían utilizando el código anterior. Su principal objetivo sería transferir la expe-riencia de la aplicación del código antiguo al nuevo.

Esta técnica garantiza que los nuevos diseños no se desvíen significativamente de los diseños existentes.

Un código también puede calibrarse mediante un proceso más formal usando la teoría de la confiabili-dad. Para estimar los valores confiables de factor de carga y resistencia, tal proceso consta de los siguientes pasos: 1) compilar una base de datos de parámetros de carga y resistencia; 2) estimar el nivel de confia-bilidad inherente a los métodos de diseño corrientes de predicción de resistencia de las estructuras de los puentes; 3) observar la variación de los niveles de confiabilidad con diferentes luces, relaciones de DL (Dead Load) a LL (Live Load) y combinaciones de car-ga, tipos de puentes y métodos de cálculo de resisten-cia; 4) seleccionar como objetivo un índice de con-fiabilidad (b), basado en los márgenes de seguridad implícita en los diseños corrientes; 5) calcular factores de carga y resistencia consistentes con el índice de confiabilidad definido. También es importante aco-plar la experiencia y el buen juicio con la calibración de los resultados.

La nueva especificación colombiana de diseño de puentes está basada en las AASHTO LRFD Bridge De-sign Specifications, 6th Ed. 2012, la cual consta de 15

Carga media

Resistencia media

Carga

Distribuciones de densidad de probabilidad para resistencia y carga

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El diseño por estados límite es una aplicación acertada de los métodos estadísticos de diseño, en los cuales el énfasis está en la probabilidad de falla.Cortesía Wsdot

Concepto básico de la teoría de la confiabilidad estructural.



CENTRAL

secciones. Las cargas vehiculares de diseño y la fuerza sísmica han sido actualizadas y calibradas mediante procesos como el ya descrito.

La carga vehicular de diseño tendrá características similares a las de la especificación AASHTO LRFD, lo cual facilitará el uso de los programas de computador comunmente utilizados por los diseñadores de puentes en todo el mundo. Se ha calibrado para un índice de confiabilidad (b) de 3,5 equivalente a una probabi-lidad de falla de 2,33x10-4, igual al utilizado en la determinación de la carga viva de diseño para los puentes en Estados Unidos.

Para la presente actualización se han preparado los mapas de amenaza sísmica, de enfoque probabilista, con el objetivo de establecer los valores de los coeficientes sísmicos de diseño de-nominados como PGA (Peak Ground Acceleration), Ss y S1 aso-ciados en esta ocasión a una probabilidad de excedencia del 7% en una vida útil de 75 años, lo que equivale, aproximadamente, a un período de retorno de 975 años. El coeficiente PGA co-rresponde a la aceleración máxima del terreno (0 segundos de período) mientras que Ss y S1 corresponden a los valores de la amenaza, asociados a los períodos de vibración iguales a 0,2 y 1,0 segundos respectivamente. Además, para los puentes clasifi-cados como críticos y de acuerdo con su importancia y localiza-ción, se ha determinado que los coeficientes sísmicos deben estar asociados a una probabilidad de excedencia del 2% en 50 años de vida útil, lo cual corresponde aproximadamente a un período de retorno de 2.500 años. Para este período de retorno se han calculado los mismos coeficientes sísmicos (PGA, Ss y S1) con el 5% de amortiguamiento.

Las demás cargas y combinaciones de cargas especificadas permanecen, básicamente, iguales a las indicadas en la especifi-cación AASHTO LRFD.

Grupos de trabajoEn esta tarea de adaptación de las especificaciones LRFD de diseño de puentes para Colombia ha participado un gran número de inge-nieros civiles, estructurales, geotecnistas y personal auxiliar. Gracias a sus contribuciones ha sido posible concretar este esfuerzo que próximamente estará disponible para su aplicación en todo el país.

Referencias • AASHTO (American Association of State Highway and Transportation

Officials) Standard Specifications for Highway Bridges (1994) Washington

D.C.

• AASHTO(AmericanAssociationofStateHighwayandTransportation

Officials) AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2012) Washington

D.C.

• AIS(AsociaciónColombianadeIngenieríaSísmica)Código colombiano

de diseño sísmico de puentes (1995) Bogotá, D.C.

Josué Galvis Ramos será otro de los

protagonistas de la Reunión del Concreto 2014

El ingeniero





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